Área de energÍa, industrias y recursos naturales no ... · la presente investigación a dios por...
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE LOJA
ÁREA DE ENERGÍA, INDUSTRIAS Y RECURSOS NATURALES NO
RENOVABLES
INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA
“DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO
GENERADOR DE OZONO PARA LA POTABILIZACIÓN DE
AGUA”.
TESIS DE GRADO PREVIA LA OBTENCIÓN DEL
TÍTULO DE INGENIERO ELECTROMECÁNICO.
AUTORES: Wilson Javier Lozano Churo
Jhonny Fernando Soto Flores
DIRECTOR: Ing. Marco Vinicio Rojas Moncayo
LOJA – ECUADOR
2010
CERTIFICACIÓN
Ing. Marco Vinicio Rojas Moncayo.
DOCENTE DEL ÁREA DE LA ENERGÍA, LAS INDUSTRIAS Y LOS RECURSOS
NATURALES NO RENOVABLES DE LA UNIVERSIDAD NACIONAL DE LOJA.
CERTIFICA:
Haber asesorado y revisado durante todo el desarrollo, la tesis titulada: “DISEÑO
Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO GENERADOR DE OZONO PARA LA
POTABILIZACIÓN DE AGUA”, elaborada por los egresados Wilson Javier Lozano
Churo y Jhonny Fernando Soto Flores, previo a la obtención del grado de ingenieros en
electromecánica.
En tal virtud cumple con toda la reglamentación y políticas de investigación del área, por lo
expuesto autorizo su presentación y posterior sustentación y defensa de la misma.
Loja, 15 de enero del 2010
--------------------------------
Ing. Marco Vinicio Rojas Moncayo.
DIRECTOR DE TESIS
DECLARACIÓN DE AUTORÍAS.
Wilson Javier Lozano Churo, y Jhonny Fernando Soto Flores, autores únicos de este
trabajo, certifican la propiedad intelectual a favor de la Universidad Nacional de Loja, la
cual podrá hacer uso del mismo con fines convenientes.
…..…………………….. ………..………………….
Wilson Javier Lozano Ch. Jhonny Fernando Soto F
Egdo. Ingeniería Electromecánica Egdo. Ingeniería Electromecánica
AGRADECIMIENTO
Nuestra pública e imperecedera gratitud a la UNIVERSIDAD NACIONAL DE LOJA, al
equipo de profesionales y catedráticos que pertenecen al ÁREA DE ENERGIA, LAS
INDUSTRIAS Y RECURSOS NATURALES NO RENOVABLES especialmente de la
CARRERA DE INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA, donde nos hemos formado
intelectualmente y por haber aportado decisivamente con sus invalorables y sabias
enseñanzas en nuestra formación académica.
El agradecimiento especial a nuestro Director de Tesis Ing. Marco Vinicio Rojas Moncayo,
quien con su asesoramiento y sabios consejos supieron guiar nuestro trabajo de tesis.
Agradecemos de manera especial a nuestros Padres por su apoyo incondicional.
A nuestros amigos y compañeros de la Carrera con quienes compartimos juntos muchos
momentos de enseñanza, amistad y compañerismo.
GRACIAS
DEDICATORIA.
Dedico:
El presente trabajo lo dedico de manera especial a Dios, por bendecir cada día mi vida, a
mi querida madre, por ser un ejemplo de vida, por estar siempre a mi lado dándome
fuerzas y valor para seguir adelante, a mi querida abuelita, a mis queridos tíos, por su
apoyo incondicional por permanecer siempre junto a mi apoyándome y ayudándome a
cumplir este ansiado sueño, a mis primos, con quienes siempre hemos permanecido juntos,
ya sea en momentos buenos y malos, se los agradezco infinitamente.
A todos mis familiares y amigos que me alentaron en todo momento para poder superarme
y alcanzar este logro.
WILSON JAVIER LOZANO CHURO.
Dedico:
La presente investigación a Dios por ser quien me ha permitido saborear la belleza de la
vida y enrumbarme por los mejores senderos que me condujeron a la culminación de este
mi gran objetivo, también dedico este esfuerzo con todo mi amor a mis padres, mis
familiares y amigos por ser ellos la inspiración y motivo para prepararme así como
también por darme su cariño paciencia y apoyo incondicional a todos gracias
JHONNY FERNANDO SOTO FLORES.
PENSAMIENTO
“Los estudiantes son en su mayoría revolucionarios. Revolucionarios por
naturaleza, porque pertenecen a ese estrato de jóvenes que se abren a la
vida y que adquieren todos los días conocimientos nuevos”
ERNESTO “CHE” GUEVARA.
RESUMEN
El presente trabajo muestra los diferentes aspectos relacionados con el diseño de un
generador de ozono; tales como, el principio físico, ecuaciones básicas que relacionan
variables eléctricas, flujo y presión de aire, densidad de potencia, etc., con el objeto de tener
una idea para la construcción de un generador, el cual se utilizará en el tratamiento de agua.
Se analizaron las ventajas y desventajas de la forma geométrica de la celda generadora de
ozono, el efecto de la calidad del gas de alimentación sobre la eficiencia del generador.
Se propone una metodología de diseño para una celda generadora de ozono de placas
paralelas que cuenta con un sistema de enfriamiento por aire, y su material dieléctrico es la
mica.
Se presenta el procedimiento de diseño de la fuente de alimentación y mando para la celda
generadora de ozono.
Se presentan las especificaciones técnicas del equipo generador de ozono que se construyó,
y la descripción de las partes que lo integran.
Finalmente se presentan las pruebas de desinfección de agua que se realizaron con el
equipo generador de ozono, mismas que se realizaron en el laboratorio de la UMAPAL
(LOJA).
SUMMARY
The present work shows the different aspects related with the design of a generator of
ozone; such as, the physical principle, basic equations that relate electric variables, flow
and pressure of air, density of power, etc., in order to having an idea for the construction of
a generator, which will be used in the treatment of water.
The advantages and disadvantages in the geometric way of the generating cell of ozone are
analyzed, the effect of the quality of the feeding gas about the efficiency of the generator.
He/she intends a design methodology for a parallel generating cell of ozone of badges that
has a cooling system for air, and their material insulating it is the mica.
It is presented the procedure of design of the feeding source and control for the generating
cell of ozone.
The technical specifications of the generating team of ozone are presented that was built,
and the description of the parts that you/they integrate it.
Finally the tests of disinfection of water are presented that they were carried out with the
generating team of ozone, same that were carried out in the laboratory of the UMAPAL
(LOJA).
INDICE
CERTIFICACIÓN ................................................................................................................................I
DECLARACIÓN DE AUTORÍAS. ....................................................................................................II
AGRADECIMIENTO ........................................................................................................................III
DEDICATORIA ................................................................................................................................ IV
PENSAMIENTO ................................................................................................................................ V
RESUMEN ........................................................................................................................................ VI
INDICE ................................................................................................................................................9
SIMBOLOGÍA ................................................................................................................................. 13
ABREVIATURAS ............................................................................................................................ 14
INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................ 15
PROBLEMÁTICA ........................................................................................................................... 16
SITUACIÓN PROBLÉMICA .......................................................................................................... 16
PROBLEMA GENERAL DE INVESTIGACIÒN ........................................................................... 17
PROBLEMAS ESPECÍFICOS DE LA INVESTIGACIÓN ............................................................ 17
OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN. ........................................................................................ 18
OBJETIVO GENERAL. ................................................................................................................... 18
OBJETIVOS ESPECÍFICOS. ........................................................................................................... 18
PLANTEAMIENTO DE HIPOTESIS. ............................................................................................. 19
HIPÓTESIS GENERAL. .................................................................................................................. 19
HIPÓTESIS ESPECÍFICAS. ............................................................................................................ 19
REQUERIMENTOS Y CARACTERISTICAS PARA LA DESINFECCIÓN DE AGUA CON
OZONO (O3). .................................................................................................................................... 20
1.1 Generalidades del ozono. ........................................................................................................ 20
1.1.1 Historia del uso del ozono en la desinfección del agua. ................................................ 20
1.1.3 Características físico químicas del Ozono. ..................................................................... 21
1.1.3 Cómo actúa el ozono ....................................................................................................... 22
1.1.4 Métodos de medición de ozono ..................................................................................... 23
1.1.5 Reglamentaciones de seguridad toxicidad y normativa del ozono. .............................. 26
1.1.6 Ventajas y aplicaciones del ozono. ................................................................................. 28
1.1.7 Otras aplicaciones ........................................................................................................... 29
1.1.8 Usos del ozono ................................................................................................................ 29
1.2 Aplicaciones del ozono en la potabilización de agua. ............................................................. 30
1.2.1 Potabilización de agua. ................................................................................................... 30
1.2.2 Métodos de desinfección de agua. ................................................................................. 31
1.2.3 Acción desinfectante del Ozono en el agua ................................................................... 32
1.2.4 Mecanismos de acción del ozono sobre microorganismos. .......................................... 33
1.2.5 Factores que afectan la efectividad del ozono en la desinfección de agua. ................. 35
1.2.6 Efectos de la temperatura............................................................................................... 35
1.2.7 Dosificación de ozono para la desinfección de agua. .................................................... 36
1.2.8 Cinética de consumo. ...................................................................................................... 37
CONSIDERACIONES PRINCIPALES PARA EL CÁLCULO Y DISEÑO DE UN GENERADOR
DE OZONO O3. ................................................................................................................................ 38
2.1 Generación de Ozono. ............................................................................................................. 38
2.1.1 Formas de generar ozono. .............................................................................................. 39
2.1.2 Generación de ozono por descargas eléctricas. ............................................................. 40
2.1.3 Elementos que forman un generador de ozono. ........................................................... 44
2.1.4 Inyección de ozono al agua ............................................................................................. 47
METODOLOGÍA PARA EL CÁLCULO Y DISEÑO DE UN GENERADOR DE OZONO. ....... 52
3.1 Diseño del equipo generador de ozono. .................................................................................. 52
3.1.1 Consideraciones y parámetros importantes .................................................................. 52
3.1.2 Parámetros de diseño ..................................................................................................... 52
3.2 Metodología para el cálculo. ................................................................................................... 53
3.3 Materiales dieléctricos. ........................................................................................................... 53
3.3.1 Caracterización eléctrica de materiales dieléctricos. ..................................................... 54
3.3.2 Selección del material dieléctrico. .................................................................................. 54
3.4 Diseño de una celda generadora de ozono de placas paralelas. .............................................. 56
3.4.1 Cálculo de la producción de ozono requerida para desinfección de agua .................... 56
3.4.2 Cálculo de potencia que debe consumir una celda generadora de ozono .................... 56
3.4.3 Dimensionamiento de una celda generadora de ozono de placas paralelas. ............... 57
3.5 Diseño de un sistema de enfriamiento por aire para una celda generadora de ozono. ............ 61
3.6 Fundamentos de la transferencia de calor ............................................................................... 61
3.6.1 Transferencia de calor por conducción .......................................................................... 62
3.6.2 Transferencia de calor por convección. .......................................................................... 63
3.7 Circuito térmico y las leyes que lo rigen. ................................................................................ 64
3.7.1 Potencia disipada y temperatura de operación de una celda generadora de ozono ... 65
3.7.2 Cálculo del sistema de enfriamiento de una celda generadora de ozono. ................... 66
3.8 Selección de la frecuencia de operación. ................................................................................ 67
MATERIALES Y MÉTODOS. ........................................................................................................ 70
4.1 DISEÑO METODOLÓGICO DEL PROYECTO DE LA INVESTIGACIÓN ..................... 70
4.2 MÉTODOS, MATERIALES Y TÉCNICAS DE TRABAJO ................................................ 71
4.2.1 Métodos........................................................................................................................... 71
4.3 Técnicas de trabajo ........................................................................................................... 72
4.3.1 Técnica de la observación. .............................................................................................. 72
4.3.2 Técnica de la entrevista. ................................................................................................. 72
4.4 Instrumentos. ........................................................................................................................... 72
4.5 Equipos ................................................................................................................................... 73
4.5.1 Técnicos. .......................................................................................................................... 73
4.5.2 Tecnológicos .................................................................................................................... 73
4.6 Resumen de cálculos. .............................................................................................................. 74
4.6.1 Resumen el cálculo de las dimensiones físicas de la celda generadora de ozono. ....... 74
4.6.2 Resumen del cálculo del sistema de enfriamiento del caso de estudio. ....................... 78
Construcción del prototipo y pruebas de desinfección ..................................................................... 81
4.7 Elementos que conforman el generador de ozono. ................................................................. 81
4.7.1 Celda generadora de ozono. ........................................................................................... 81
4.7.2 Geometría de la celda. .................................................................................................... 82
4.7.3 Elección de la forma geometría de la celda. .................................................................. 85
4.7.4 Sistema de alimentación de aire. ................................................................................... 85
4.7.5 Sistema de enfriamiento ................................................................................................. 87
4.7.6 Fuente de alimentación. ................................................................................................. 88
RESULTADOS................................................................................................................................. 91
5.1 Operación del generador de ozono. ......................................................................................... 91
5.2 Características de diseño del generador de ozono. .................................................................. 94
5.3 Resultados de la experimentación de la acción del ozono en el agua. ................................... 95
5.3.1 Pruebas de ozono residual. ............................................................................................. 95
5.3.2 Pruebas de oxidación. ..................................................................................................... 96
DISCUSIÓN ..................................................................................................................................... 97
CONCLUSIONES .......................................................................................................................... 104
RECOMENDACIONES ................................................................................................................. 105
ANEXOS ........................................................................................................................................ 108
SIMBOLOGÍA
ΔT Diferencia de temperaturas
Δx Espesor de material
Εr Permitividad relativa del dieléctrico
Φg Flujo del gas de alimentación a la celda
h Eficiencia eléctrica de la celda
Ac Área de contacto
C Concentración de ozono
d1 Espesor del dieléctrico
d2 Espacio de descargas
Ds Dosis de ozono
Ef Eficacia real de la celda generadora de ozono
Ei Eficacia máxima ideal
f Frecuencia
h Coeficiente de transferencia de calor por convección
Kp1 Constante de Paschen 1
Kp2 Constante de Paschen 2
Kt Constante de conductividad térmica
If Corriente de fuga
Ig Corriente que circula por la celda generadora de ozono
P Potencia
Pd Producción de ozono deseada
Pg Potencia consumida por la celda generadora de ozono
Pm Presión manométrica del gas de alimentación
Ps Presión absoluta del gas de alimentación
Pt Potencia demandada
qc
Flujo de calor transferido
qe Potencia disipada en el electrodo
qd Potencia disipada en el electrodo del dieléctrico
qt Potencia total disipada en calor
Rcond Resistencia térmica por conducción
Rconv Resistencia térmica por convección
Rdiel Resistencia térmica del dieléctrico
Rdis Resistencia térmica del disipador-ventilador
Relec Resistencia térmica del electrodo
Rsel Resistencia térmica por convección forzada dada por el fabricante
Rt Resistencia térmica
Ta Temperatura ambiente
Td Temperatura del espacio de descargas
Tp Temperatura del sólido
Tm Tiempo de descargas
T∞ Temperatura de fluido
Vcc Voltaje de alimentación de CD
Vg Voltaje aplicado a la celda generadora de ozono
ABREVIATURAS
ADN Ácido desoxirribonucleico
DBD Descarga en barrera dieléctrica
EPA Environmental Protection Agency
IBWA International Bottled Water Associations
Ph Potencial de hidrógeno
ppmv
partes por millón, expresado en volumen
LPM Litros por minuto
THM Trihalometanos
UV ultravioleta.
INTRODUCCIÓN
El agua, es la principal fuente de vida en nuestro planeta y es, a la vez, una de las
necesidades básicas de la humanidad; su abastecimiento actualmente, constituye uno de los
problemas que afrontan las sociedades.
Hoy en día, estas necesidades no son suficientemente atendidas por tecnologías apropiadas,
pues resultan incompatibles con los recursos del medio rural, son costosas, su
aprovisionamiento es difícil en regiones alejadas de las ciudades y de las vías de
comunicación. Por ello resulta relevante investigar sobre las posibilidades de tratamiento,
más económica, con tecnología apropiada para este medio y aplicable en países en vías de
desarrollo como el Ecuador.
El presente trabajo propone el uso de un generador de ozono, como solución al problema de
la falta de nuevas alternativas en la potabilización de agua; y plantea que este sistema de
tratamiento de agua constituya una alternativa más competitiva, en términos técnicos y
económicos, frente a los sistemas aplicados en la actualidad.
Esta propuesta concibe la construcción de un generador de ozono para el tratamiento de
agua con materiales y procesos locales, de funcionamiento sencillo y mantenimiento
simple, de tecnología accesible y económica; y que principalmente resulte compatible con
el medio ambiente preservando el equilibrio ecológico del lugar.
El objetivo del presente trabajo será el diseño y construcción de un prototipo generador de
ozono para la potabilización de agua.
PROBLEMÁTICA
SITUACIÓN PROBLÉMICA
Un prototipo es un modelo o versión inicial de un producto, previsto para probar y
desarrollar el diseño. Antes de invertir en el equipo necesario para fabricar en serie un
producto, se debe estar convencido de que el diseño es seguro y fiable.
Los prototipos pueden ser muy sencillos, con sólo unos pocos componentes. A medida que
el diseño avanza, los prototipos se hacen más complicados. Al aumentar gradualmente la
complejidad del prototipo se pueden identificar y corregir posibles problemas del diseño.
El papel fundamental de un prototipo es reducir el riesgo de errores de diseño. Con los
prototipos, se puede adquirir confianza en los diseños y justificar la inversión necesaria
para su producción en serie.
El OZONO es un componente natural del aire limpio y seco, como también lo es el
nitrógeno, oxigeno, argón, etc. Principalmente está formado por la unión de tres átomos de
oxigeno (O3), es generado por la exposición a una fuente alta de energía, del aire u otro gas
conteniendo oxígeno normal (O2), esta fuente puede ser en los equipos comerciales puede
ser una descarga eléctrica a alto voltaje o una radiación ultravioleta.
Su presencia en el aire es casi simbólica pero resulta imprescindible para la vida en la
tierra, en los espacios naturales, bosques, montañas prados, etc., se encuentra con mayor
cantidad que en las ciudades o grandes aglomeraciones urbanas, en las que llega a
desaparecer totalmente al no haber nuevo aporte de OZONO y aumentar progresivamente
la contaminación.
PROBLEMA GENERAL DE INVESTIGACIÒN
“FALTA DE APLICACIÓN DE NUEVAS ALTERNATIVAS DE POTABILIZACIÓN DE
AGUA, A TRAVÉS DE UN GENERADOR DE OZONO”.
PROBLEMAS ESPECÍFICOS DE LA INVESTIGACIÓN
Existe escasa información sobre nuevos sistemas de potabilización de agua mediante
la utilización de ozono.
Inexistencia de un generador de ozono de fabricación local.
Falta de experiencia en los factores químicos que intervienen en la purificación de agua
con ozono.
Limitadas difusiones de los resultados de investigación acerca de la aplicación del
ozono en la purificación del agua.
OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN.
OBJETIVO GENERAL.
Construcción de un prototipo generador de ozono para la potabilización del
agua.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS.
Sistematizar información que permita conocer las características y requerimientos
para la construcción de un prototipo generador de ozono.
Diseñar y construir un prototipo generador de ozono.
Realizar pruebas y análisis para verificar el adecuado funcionamiento del prototipo
generador de ozono.
Socializar los resultados obtenidos en nuestra investigación.
PLANTEAMIENTO DE HIPOTESIS.
HIPÓTESIS GENERAL.
La construcción de un prototipo generador de ozono para la potabilización del agua
admitirá estudiar detalladamente el proceso mediante el cual se produce el ozono"
HIPÓTESIS ESPECÍFICAS.
Con mayor información acerca de los ozonizadores tendremos una visión más
amplia sobre la obtención de ozono.
Mediante el diseño y construcción de un prototipo generador de ozono se podrá
determinar las diferentes especificaciones técnicas, de tal manera que garantice el
rendimiento optimo del mismo
Realizando las prácticas y monitoreo correspondiente lograremos obtener los
resultados esperados y así poder socializar con datos reales.
Dando a conocer los resultados obtenidos en nuestra investigación podemos
determinar que el uso del ozono es más eficiente que los procesos empleados
actualmente en la potabilización del agua.
CAPITULO I
REQUERIMENTOS Y CARACTERISTICAS PARA LA DESINFECCIÓN DE
AGUA CON OZONO (O3).
1.1 Generalidades del ozono.
1.1.1 Historia del uso del ozono en la desinfección del agua.
Por primera vez, en el año 1787, al científico holandés ARTINUS VAN MARUN (1750-
1837) mientras provocaba descargas eléctricas de oxígeno, se le desprendió un intenso y
característico olor que no puedo identificar. Fue el primer inicio de la experiencia del
ozono. Más de medio siglo después en 1839, el químico alemán CHRISTIAN FRIEDRICH
SCHONBEIN ( 1799-1868 ) descubre un gas, al que, por su intenso olor, da el nombre de
ozono, que estaba formado por tres átomos de oxígeno O3,ozono, en contraposición con la
molécula de oxígeno del aire que únicamente tiene 2 átomos 02. En Mayo de 1929,
CHARLES FABRI (1867-1945) convoca en París a todos los científicos investigadores del
ozono, la reunión se conoce como Primera conferencia Internacional de Ozono. No
obstante, el primer aparato industrial fue bajo la fabricación y supervisión de SIEMENS. A
partir de entonces, los industriales aplicaron la tecnología moderna en perfeccionar esta
carrera hacia la novedad de tantísimas aplicaciones en diferentes campos que puede cubrir
el ozono. Aplicaron todo potencial en la perfección del útil ozonizador por mediación de
lámparas de efluvios (Energía Fotoquímica).
Frente a otros sistemas de proyectos millonarios, de altas intensidades de energía eléctrica
y grandes producciones de ozono aplicadas industrialmente; en este sistema es del todo
imprescindible partir solamente de oxígeno inyectado al generador de ozono, o bien de
costosas instalaciones para destruir el 78% de nitrógeno, que contiene el aire atmosférico
inyectando solamente el 21% de oxígeno restante al aparato ozonizador, consiguiendo de
nuevo lo mismo que a las lámparas de efluvios generadoras de ozono con el 100% de
pureza. (B, 1991)
1.1.3 Características físico químicas del Ozono.
El ozono es una molécula formada por tres átomos de oxígeno (O3), con una carga eléctrica
negativa. La molécula de ozono es muy inestable y tiene una corta vida media. Por lo tanto,
decaerá después de un tiempo a su forma original: oxígeno.
En su esencia el ozono no es más que oxígeno diatómico (O2), con un átomo extra de
oxígeno formado por una alta carga eléctrica. En la naturaleza el ozono se produce por
algunas reacciones químicas. El ejemplo más conocido es por supuesto la capa de ozono,
donde el ozono es producido por los rayos ultravioleta (UV) del sol. Pero el ozono también
se produce durante las tormentas eléctricas y en las cascadas de agua. Los extremadamente
altos voltajes alcanzados en las tormentas eléctricas producen ozono a partir de oxígenos.
Ese olor especial de “frescor, limpieza, lluvia reciente” es resultado del ozono producido de
forma natural.
La palabra ozono deriva del vocablo griego ozein, que significa oler.
El ozono es solamente producido bajo circunstancias extremas. Éste también puede ser
creado por generadores de ozono. Los generadores de ozono producen ozono con altos
voltajes extremos o con luz UV. (Association, 1998, págs. 254 - 270)
Las propiedades del ozono son las siguientes:
Peso molecular (PM)..........................................................48
Temperatura de condensación..........................................- 112 º C
Temperatura de fusión..................................................... -192,5 º C
Presión Crítica................................................................. 54 átm.
Densidad......................................................................... 1,32
Densidad (líquido a -182 º C)......................................... 1.572 gr/cm 3
Peso del litro de gas (a 0º y 1 átm.)................................. 1,144 gr.
En condiciones normales de presión y temperatura, el OZONO es inestable; aumentando
dicha inestabilidad por aumento de temperatura y humedad llegando a ser total por encima
de los 200º C.
Su grado de mayor estabilidad lo alcanza a los -50º C y presión igual a 38 mm Hg, es decir,
una venteaba parte de la presión atmosférica.
A temperatura ambiente, ataca lentamente a los compuestos orgánicos saturados
aumentando dicho ataque a temperaturas de 78º C e incluso inferiores.
Frente a los compuestos orgánicos no saturados, forma ozónidos, compuestos muy
inestables y que dan lugar a aldehídos, acetonas, ácidos carboxílicos, etc.
Después de lo anteriormente expuesto, podemos decir que EL OZONO es:
Después del flúor, el compuesto más oxidante, debido a su facilidad para captar
electrones.
De fácil descomposición.
En estado gaseoso es ligeramente azul, azul oscuro en fase líquida y rojo oscuro en
fase sólida.
Presenta estructura molecular típicamente angular entre los tres átomos de oxígeno
que componen su molécula.
En igualdad de condiciones, además, es más estable en el agua que en el aire.
1.1.3 Cómo actúa el ozono
Figura 1.1 destrucción de bacterias con ozono
El ozono actúa de acuerdo con el principio de oxidación. Cuando la molécula de ozono
(O3) cargada electrostáticamente se pone en contacto con algo oxidable, la carga de la
molécula de ozono fluirá directamente hacia allí. Esto ocurre porque el ozono es muy
inestable y tiende a volver a su forma original (O2). El ozono puede oxidar todo tipo de
materiales, pero también olor y microorganismos como virus, mohos y bacterias. El átomo
extra de oxígeno se desprende de la molécula de ozono y se enlaza con el otro material.
Finalmente permanece solamente la molécula de oxígeno pura y estable.
El ozono es uno de los agentes oxidantes más fuertes disponibles técnicamente para la
oxidación de solutos. El átomo extra de oxígeno se acoplará (= oxidación) en menos de un
segundo a cualquier componente que se ponga en contacto con el ozono.
El ozono puede ser usado para una amplia gama de purificación. La mayor parte del ozono
es aplicado en las plantas de tratamiento de aguas residuales municipales y de agua potable
(para desinfección). Sin embargo el ozono se usa cada vez más en la rama industrial. En la
industria de la alimentación, por ejemplo, el ozono se usa para desinfección y en la
industria del papel y textil se usa para la oxidación del agua residual. El principal beneficio
del ozono es su carácter limpio, porque sólo oxida materiales, casi sin formar subproductos.
Debido a que el ozono tiene un fuerte olor reconocible, se perciben pronto concentraciones
muy bajas. Esto hace que trabajar con ozono sea generalmente seguro.
1.1.4 Métodos de medición de ozono
La medición de ozono consiste en determinar la concentración (mg/l o g/m3
) a la que se
encuentra diluido en un gas o en un líquido. A la concentración de ozono disuelta en un
líquido después de un proceso de ozonificación se le conoce como ozono residual. Existen
varias técnicas de medición de concentración de ozono, tanto para fase gaseosa como para
fase líquida. A continuación se presentan algunas de ellas. (Gottchalk C, 2002)
1.1.4.1Método Yodométrico.
Este método se usa para medir concentraciones de ozono en fase gas o en fase líquida. Para
la medición de la concentración de ozono en fase gas primero se hace burbujear un
volumen conocido de un gas con ozono dentro de una solución de ioduro de potasio KI.
Para realizar la medición del ozono residual en fase líquida, simplemente se mezcla una
muestra del líquido a medir con la solución de KI. La reacción producirá yodo (1.1), el cual
debe ser titulado inmediatamente con tiosulfato de sodio Na2S
2O
3 a un color amarillo
pálido. La concentración de ozono puede ser calculada por el consumo de tiosulfato de
sodio (Javier, 2003 ).
KI + O3 + H2O I2 + O2 + KOH (1.1)
3I2 + 6S2O32 6I + 3S4O6
2 (1.2)
1.1.4.2 Absorción de luz UV
El método de absorción de luz UV también conocido como método de fotometría UV,
puede ser utilizado para medir la concentración de ozono en un gas o líquido. Esta técnica
consiste en medir la atenuación de un haz de luz UV con longitud de onda de 254
nanómetros (1nm = 10-9
m) en una celda de absorción, la cual contiene una muestra del gas
o líquido que se desea medir. La atenuación del haz de luz es determinada mediante la
comparación de la señal proveniente del sensor de muestra y la proveniente del sensor de
referencia.
Figura 1.2 Diagrama de un monitor de ozono por absorción de luz UV
El método de absorción de luz UV presenta interferencias positivas con cualquier
contaminante contenido en la muestra que absorba luz a 254 nanómetros. Dentro de estos
compuestos se encuentran los hidrocarburos aromáticos, el vapor de mercurio y el dióxido
de azufre. Con esta técnica se pueden medir concentraciones hasta de 600 g/m3
de ozono en
fase gas y hasta 150 g/m3
de ozono residual en el agua.
1.1.4.3 Método amperométrico.
El método amperométrico tiene la posibilidad de ser empleado para mediciones continuas y
automatizadas de ozono residual en el agua. El electrodo de membrana para medición de
ozono residual está compuesto de un cátodo de oro, un ánodo de plata, un electrolito (AgBr,
K2SO
4 o KBr) y una membrana de Teflón. Varias compañías ofrecen tales electrodos en
diferentes configuraciones. Los rangos de aplicación y la exactitud varían dependiendo del
tipo de electrodo empleado. La operación de este tipo de dispositivos puede resumirse de la
siguiente manera: El ozono disuelto en agua atraviesa la membrana y el electrolito hasta
colocarse en la superficie del cátodo. Al aplicarle una diferencia de potencial eléctrico a las
terminales del cátodo y ánodo, el ánodo liberará electrones al electrolito, dichos electrones
atravesarán el electrolito hasta el cátodo en donde al encontrar una molécula de ozono la
reducirán a oxígeno. El resultado es una conducción de corriente eléctrica la cual será
proporcional a la concentración del ozono disuelto en el agua.
1.1.4.4 Colorimetría.
A continuación se presenta la descripción de los métodos colorométricos empleados en este
trabajo de investigación.
N´N-Dietil-p-fenilendiamina (DPD)
Consiste en hacer reaccionar la muestra de agua ozonificada con el compuesto N´N-Dietil-
p-fenilendiamina (DPD). Al reaccionar el DPD con el ozono contenido en la muestra de
agua, el agua tomará una coloración rosa. La tonalidad adquirida será proporcional a la
concentración de ozono residual en la muestra. La muestra debe ser comparada contra una
escala de ozono residual, que está graduada a distintas tonalidades de rosa.
Índigo carmín
El índigo carmín (C16
H8N
2Na
2O
8S
2) es un colorante ampliamente usado. El método de
medición consiste en titular la muestra del agua ozonificada con una solución de índigo
carmín hasta que el agua tome la coloración azul de la solución. El agua tomará color azul
hasta que todo el ozono contenido en el agua sea consumido al oxidar el colorante, es decir,
la concentración de ozono será proporcional a la cantidad de índigo carmín oxidado.
Según el manual de procedimientos, la solución de índigo carmín se prepara agregando 1.6
gramos de índigo carmín a 400 ml de agua destilada, se mezcla y se filtra. La solución
preparada debe mantenerse en refrigeración. Cada 0.05 mililitros de esta solución que sea
oxidada por el ozono contenido en 200 ml de muestra de agua ozonificada, equivaldrá a
0.06 mg/l de concentración de ozono residual.
1.1.5 Reglamentaciones de seguridad toxicidad y normativa del ozono.
El tratamiento con ozono es aceptable para el medioambiente. Elimina la necesidad de
manipular, almacenar, mantener registros y desechar sustancias químicas tóxicas
contempladas en las reglamentaciones gubernamentales cada vez más rigurosas. El uso
del ozono se encuentra ampliamente difundido y está aprobado:
El ozono se utiliza desde hace casi un siglo en Europa
La FDA aprobó el uso del ozono para el agua embotellada en 1982
La Agencia de Protección Ambiental (Environmental Protection Agency, EPA)
permite el uso del ozono sin exigir informes ni registros
La FDA aprobó la solicitud de su uso en frutas, verduras, carnes rojas, carnes de
ave, etc. en junio de 2001 (solicitud de uso como aditivo alimentario)
El Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (United States Department
of Agriculture, USDA) aprobó el ozono como sustancia orgánica en virtud de la
Norma sobre Sustancias Orgánicas (Organic Rule) del USDA en 2000.
El ozono es una sustancia que se autorregula y que tiene un característico olor a
limpio
Los niveles de ozono efectivos son seguros, ya que se encuentran por debajo de los
límites establecidos por la Administración de Seguridad y Salud Ocupacional
(Occupational Safety and Health Administration, OSHA)
El ozono es un gas altamente tóxico y oxidante. El conocimiento acerca de los efectos que
produce en el ser humano y la normatividad relacionada con los niveles máximos
permitidos se presentan a continuación.
1.1.5.1 Inhalación.
Efectos agudos: La exposición al ozono en periodos cortos de tiempo a concentraciones
superiores a unas décimas de ppmv
provoca dolor de cabeza, sequedad en la garganta,
irritación de membranas mucosas y nariz. La exposición a altas concentraciones puede
provocar edemas pulmonares, lasitud, dolor de cabeza frontal, sensación de enrarecimiento
del aire, constricción u opresión, acidez en la boca y anorexia. En exposiciones más severas
puede causar tos, sensación de sofocación, taquicardia, vértigo, presión sanguínea baja,
severos calambres en el pecho y dolor de cuerpo. Se estima que 50 ppmv
por 30 minutos
podría ser fatal.
Exposiciones prolongadas: Los síntomas a exposiciones prolongadas son similares a las
exposiciones agudas con el decremento en la función pulmonar dependiendo de la
concentración de ozono y la duración de la exposición. También se pueden observar la
aparición de asma, alergias y otros desórdenes respiratorios. Algunas tumoraciones y daño
genético directo o indirecto han sido encontrados en tejidos animales y/o humanos
estudiados.
1.1.5.2 Cancerigenidad:
El ozono se encuentra bajo sospecha de tener potencial cancerígeno (clasificada dentro del
grupo B).
1.1.5.3 Contacto con la piel y ojos
El contacto del ozono con la piel puede causar irritación y quemaduras. En concentraciones
por encima de 0.1 ppmv el ozono puede causar irritación de los ojos.
1.1.5.4 Límites permitidos
Son recomendados para áreas de trabajo los siguientes niveles máximos de ozono en el
ambiente.
0.05 ppmv trabajo pesado.
0.08 ppmv trabajo moderado.
0.10 ppmv trabajo ligero.
Sin embargo, si el trabajo se desempeña en periodos menores a 2 horas (para trabajos
pesado, moderado y ligero) se permiten concentraciones de hasta 0.2 ppmv.
La norma mexicana NOM-020-SSA1-1994 [SSA05], establece que no se debe rebasar el
límite máximo normado de 0.11 ppmv, en una hora, una vez al año, en periodos de tres
años.
1.1.6 Ventajas y aplicaciones del ozono.
La producción in situ elimina los inconvenientes propios del transporte
Su explotación es sencilla y resulta muy fiable
Con este sistema los costes de mantenimiento son mínimos
No genera subproductos nocivos ni cancerígenos
Es un oxidante muy eficaz
No deja residuos
No se generan sustancias químicas peligrosas
1.1.7 Otras aplicaciones
El ozono además de emplearse para desinfección de agua es ampliamente usado en los
siguientes sectores.
Medicina (ozonoterapia y desinfección de instrumental)
Odontología
Industria alimenticia
Desinfección y deodorización de ambientes
Industria del papel
Sector agropecuario
Industria química
1.1.8 Usos del ozono
Desinfección de Albercas, Gimnasios, Clubes, Spas.
Desinfección de Tuberías Industriales, Tanques, Cisternas.
Laboratorios e Industria Farmacéutica.
Restaurantes Hoteles, Lavado de Frutas, Legumbres y Vegetales
Añejamiento de Vinos y Licores
Plantas Purificadoras de Agua, Plantas Potabilizadoras.
Tratamiento de Torres de Enfriamiento.
Decoloración de Efluentes Textiles.
Tratamiento de Aguas Negras y Grises.
Eliminación de DQO.
1.2 Aplicaciones del ozono en la potabilización de agua.
1.2.1 Potabilización de agua.
La potabilización o purificación de agua puede ser definida como el conjunto de
operaciones y procesos, físicos y/o químicos que se aplican al agua a fin de mejorar su
calidad y hacerla apta para uso y consumo humano. El procedimiento típico de
potabilización de agua se muestra en la figura 1.3. (Mexico, 1995)
Figura 1.3 proceso de potabilización de agua
El agua es tomada de una fuente que puede ser de ríos, lagos o del subsuelo. A
continuación se bombea a un primer tanque donde se le agregan sustancias químicas para
quitarle impurezas, eliminar virus y bacterias dañinas, eliminar sabores y olores. Algunas
de las sustancias químicas aplicadas al agua son: cal, sulfato férrico, cloraminas, carbón
activado en polvo, ozono, dióxido de carbono y fluoruro. Después, el agua con sustancias
químicas es trasladada a un tanque de floculación, donde el agua recibe un movimiento
lento y constante a fin de mantener las sustancias químicas en suspensión para que estas
actúen efectivamente. La función de las sustancias químicas es provocar que las partículas
diminutas contenidas en el agua se agrupen y crezcan de tamaño, hasta que son lo
suficientemente grandes y pesadas para hundirse. A continuación, el agua entra a un tanque
de sedimentación donde el flujo es tan lento que permite que las partículas agrupadas en el
procedimiento anterior, el cieno y otras sustancias suspendidas lleguen al fondo
separándose del agua.
El agua recuperada de la etapa anterior pasa por un proceso llamado tratamiento
secundario en donde se repite el ciclo anterior, es decir, mezclado químico, floculación y
sedimentación final. Hasta este momento, la mayoría de las sustancias químicas añadidas al
agua ya se han sedimentado y separado del agua, llevándose con ellas las impurezas que
originalmente tenía el agua sin tratar.
El siguiente paso en la purificación de agua es la filtración, que consiste en hacer pasar el
agua a través de lechos constituidos de antracita, arena y grava. Al escurrir el agua a través
de ellos, todas las restantes partículas suspendidas en agua quedan atrapadas en los filtros,
los cuales también sirven para removerlas.
El último paso en la purificación del agua es la desinfección, donde las bacterias son
eliminadas. Existen varios métodos de desinfección de agua, entre los que podemos
mencionar la cloración, ozonificación, radiación de luz ultravioleta, ósmosis inversa, entre
otros. El método abordado en esta tesis es el de ozonificación. (Javier, 2003 )
1.2.2 Métodos de desinfección de agua.
1.2.2.1 Cloración.
Consiste en el uso del cloro o algunos de sus compuestos como desinfectante. La cloración
es el método de desinfección más popular alrededor del mundo debido a su bajo costo y su
efecto residual. Las desventajas principales de este método es que deja un olor y sabor
desagradable en el agua. Por otro lado, el cloro puede formar trihalometanos (THM) que
tienen carácter cancerígeno. Sin embargo, existen técnicas para reducir los niveles de THM
contenidos en el agua, estas técnicas consisten en eliminar los agentes precursores de estas
sustancias antes de la cloración.
1.2.2.2 Ozonización.
El ozono es reconocido por su capacidad oxidante y germicida. El ozono elimina un
espectro más grande de microorganismos que el cloro. A diferencia de la cloración la
ozonificación elimina olores y sabores desagradables del agua. Su efecto residual es de
corto tiempo. La tecnología de generación de ozono es costosa, por lo que no se ha
popularizado. Sin embargo, en algunos países europeos ha sido ampliamente usado.
1.2.2.3 Radiación de luz ultravioleta.
Este procedimiento consiste en someter al agua a radiación de luz ultravioleta alrededor de
los 246 nanómetros. La máxima eficiencia germicida se encuentra en los 265 nm. La luz
ultravioleta es aplicada empleando una lámpara de vapor de mercurio. La radiación con luz
UV es un método más costoso que la cloración. El método no añade sustancias químicas al
agua y por lo mismo es un método que carece de efecto residual. No altera el olor ni el
sabor del agua. Se emplea en aplicaciones a pequeña escala. La radiación UV provoca
algunas lesiones en el ADN de los microorganismos, impidiendo su reproducción. De esta
forma son incapaces de producir daño al consumirlos.
1.2.2.4 Osmosis inversa.
El proceso de ósmosis inversa consiste en el uso de una membrana semipermeable para
separar y eliminar sólidos disueltos, productos orgánicos, pirógenos, materia coloidal sub-
microscópica, virus y bacterias del agua. El proceso es llamado de ósmosis inversa ya que
se requiere de una presión para forzar que el agua pura pase a través de la membrana,
dejando las impurezas detrás. (unitek.com)
1.2.3 Acción desinfectante del Ozono en el agua
1.2.3.1 Ventajas del uso del Ozono en el tratamiento de aguas.
La ozonización elimina el color causado por el hierro, manganeso o la materia carbonosa y
los sabores y olores debido a la presencia de materia orgánica. Se produce una floculación.
El Ozono elimina la turbiedad, el contenido de sólidos en suspensión y las demandas
químicas y biológicas de oxígeno. Además puede eliminar detergentes y otras sustancias
tenso-activas. El grado de eliminación dependerá de la cantidad de Ozono utilizada.
El Ozono (O3) es un poderoso desinfectante. No sólo mata las bacterias patógenas sino que
además inactiva a los virus y otros microorganismos que no son sensibles a la desinfección
ordinaria con cloro. En definitiva, podemos afirmar que el Ozono (O3-oxígeno compuesto
por tres átomos) realiza las siguientes funciones en el agua. La ozonización es más barata
que la súper cloración seguida de una decloración y del mismo costo que la coloración
ordinaria. Si no existe posterior recontaminación, el Ozono residual es suficiente para
efectuar una desinfección común. Además el Ozono, no produce en el agua aumento en el
contenido de sales inorgánicas ni subproductos.
1.2.3.2 Eliminación de turbidez.
La turbidez del agua se elimina por ozonización a través de una combinación de oxidación
química y neutralización de carga. Las partículas coloidales que causan turbidez son
mantenidas en suspensión por partículas de carga negativas que son neutralizadas por el
ozono. El ozono además destruye los materiales coloidales por medio de la oxidación de
materias orgánicas.
1.2.3.3 Eliminación de olores colores y sabores.
La oxidación de la materia orgánica, metales pesados, sulfuros y sustancias extrañas,
produce la supresión de sabores y olores extraños que el agua pudiera contener,
proporcionando una mejora en la calidad y el aspecto del agua, haciéndola más adecuada
para su consumo y disfrute.
1.2.4 Mecanismos de acción del ozono sobre microorganismos.
1.2.4.1 Efectos sobre bacterias
La inactivación de bacterias con ozono es considerada como una reacción de oxidación. La
membrana de la bacteria es el primer lugar de ataque de ozono, las vías de acceso pueden
ser dos, por el camino de las glicoproteínas o glicolípidos, o a través de los aminoácidos. El
ozono también rompe la actividad enzimática de la bacteria al actuar sobre los grupos de
sulfhídrilos en ciertas enzimas. En este momento la bacteria pierde su capacidad de
degradar azúcares y producir gases. El deshidrogenado de fosfato-6 de glucosa es afectado
del mismo modo que el sistema enzimático. La muerte de la bacteria puede ser debido a los
cambios en la permeabilidad celular, posiblemente seguido de una lisis celular.
1.2.4.2 Efectos sobre virus
Los virus son microorganismos acelulares, compuestos solamente de ácido nucleico y una
proteína que lo encierra llamada cápside. Los virus son organismos parásitos que solo
pueden reproducirse dentro de una célula huésped. El primer objetivo del ataque del ozono
sobre el virus es la ruptura del cápside. Si las concentraciones de ozono son altas el cápside
será destruido totalmente. De esta forma el ácido nucleico es liberado dejándolo
desprotegido del ozono, quien lo acabará de eliminar.
1.2.4.3 Efectos sobre otros organismos
Existen reportes de que el ozono tiene capacidad de inactivar a las esporas bajo condiciones
de esterilización clínica. Sin embargo, no se reporta exactamente el mecanismo de
actuación sobre ellas
1.2.4.4 Microorganismos patógenos que elimina el Ozono.
El ozono elimina un espectro grande de microorganismos patógenos, algunos de los cuales
son presentados en la tabla. (aplications, 2004)
Tabla 1.1 Algunos microorganismos patógenos que el ozono elimina.
1.2.5 Factores que afectan la efectividad del ozono en la desinfección de agua.
1.2.6 Efectos de la temperatura
El índice de destrucción de microorganismos crece con incrementos en la temperatura. De
acuerdo con la teoría de Van´t Hoff-Arrhenius, la temperatura determina el índice al cual el
desinfectante se difunde a través de la superficie del microorganismo y su índice de
reacción con el sustrato. Se dice que un incremento de 10 ºC en la temperatura incrementa
el índice de reacción en un factor de 2 o 3. Esta es la razón por la cual en aguas cálidas se
puede lograr el mismo efecto de desinfección que en aguas frías con concentraciones de
ozono residual menores.
1.2.6.1 Efectos del pH
El impacto del pH sobre la acción bactericida o virucida es considerado pequeño en rangos
de pH de 5.8 a 8. Los cambios en la eficiencia de desinfección debido al pH son
provocados por cambios en el índice de destrucción de ozono. Sin embargo, algunos
estudios han demostrado que para diferentes valores de pH, a valores constantes de
concentración de ozono residual, el grado de inactivación de bacterias prácticamente no
sufre cambios.
1.2.6.2 Efectos de la turbiedad
Los microorganismos normalmente no están en estado libre en el agua, generalmente están
adheridos a la superficie de minerales o materia orgánica. Las sustancias o minerales
inoxidables prácticamente no reducen la eficiencia de desinfección del ozono. Sin embargo,
los materiales orgánicos u oxidables consumen grandes cantidades de ozono limitando su
acción sobre los microorganismos. Los virus asociados con células o fragmentos de ellas
son protegidos del efecto del ozono. Lo recomendable en estos casos es mejorar la calidad
del agua antes de desinfectarla, en términos de turbidez y materia orgánica disuelta para
lograr una óptima desinfección.
1.2.7 Dosificación de ozono para la desinfección de agua.
La dosis de desinfectante aplicado al agua está relacionado con un factor llamado “CT”
que es resultado de la multiplicación de la concentración residual del desinfectante en el
agua (mg/l) por el tiempo de contacto (minutos). La práctica europea tiene contemplada la
aplicación de 0.4 mg/l con un tiempo de contacto de 4 minutos, es decir, un CT = 1.6.
Sin embargo, la EPA (Environmental Protection Agency) en EE.UU, señala que un CT =
0.72 aplicados al agua a 20ºC es suficiente para desactivar 99.9 % de los quistes de Giardia
lamblia (parásitos transmitidos por el agua muy difíciles de matar) y el 99.9% de virus
entérico. La diferencia entre la práctica europea de desinfección y la americana depende
principalmente de la temperatura del agua.
En la tabla 1.2 se muestran los CT recomendados por la EPA para distintas temperaturas de
agua. (Carlos, 2002)
Tabla 1.2 Factor de CT requerido para desinfectar con ozono a distintas temperaturas de agua.
Temperatura del agua ºC CT
<1 2.9
5 1.9
10 1.4
15 0.95
20 0.72
>25 0.48
La IBWA (International Bottled Water Asociations) recomienda una dosis de 1 a 2mg de
ozono por litro de agua aplicados en un tiempo entre 4 y 10 minutos, manteniendo un título
de ozono residual de 0.1 a 0.4 mg/l por un tiempo de contacto de 4 a 10 minutos.
1.2.8 Cinética de consumo.
La cinética de consumo de ozono en el agua permite estimar la cantidad de ozono que se
debe aplicar al agua para conseguir una cierta concentración de ozono residual. La cinética
de consumo de ozono en el agua es un parámetro que depende de múltiples factores. Por
ejemplo, las pérdidas de ozono por oxidación de materia orgánica contenida en el agua, la
técnica de aplicación del ozono, la temperatura y el pH del agua, la presión parcial del gas
sobre el líquido (ley de Henry), la difusión del ozono en el agua (ley de Fick), entre otros.
Todos estos factores hacen imposible un cálculo de solubilidad. Bataller et al. recomiendan
encontrar la cinética de consumo de ozono mediante la experimentación de cada caso en
particular.
Generalmente una dosis de 1 a 2 mg de ozono por litro de agua aplicado de 4 a 10
minutos producirá el residual de 0.1 a 0.4 mg/l necesarios para la desinfección de agua.
CAPITULO 2
CONSIDERACIONES PRINCIPALES PARA EL CÁLCULO Y DISEÑO DE UN
GENERADOR DE OZONO O3.
2.1 Generación de Ozono.
La formación de ozono resulta de la excitación de moléculas de oxígeno que se separan en
átomos de oxígeno sencillos y que luego se recombinan para formar moléculas de tres
átomos de oxígeno: O3. El ozono generado se puede, después, descomponer produciendo
oxígeno altamente activado con una gran capacidad para oxidar. El aire limpio, seco y frío
proveniente del sistema de preparación del gas o el oxígeno puro, se hace pasar entre
electrodos de alta tensión. Estos electrodos funcionan con corriente alterna y solamente
producen ozono durante el periodo de tensión creciente poco antes de la culminación. Si se
eleva la frecuencia de la tensión alternante es posible aumentar la generación de ozono. Los
electrodos se deben enfriar mediante agua o aire. (CLEMENTE SALAZAR, 2000)
Esta reacción electro física produce un gas con distintas concentraciones de ozono, que se
utilizará acorde a la patología a tratar. El gas al entrar en contacto con el organismo,
produce cambios celulares en el organismo, curando de esta manera mas de 200
enfermedades y destaca sus propiedades Oxigenantes, antisépticas, revitalizantes,
antiinflamatorias, antioxidantes, germicidas y regeneradoras.
El ozono es inocuo porque no actúa directamente sobre la enfermedad sino que estimula al
organismo a producir lo que le hace falta para curar, da buenos resultados curando
enfermedades de asma, parálisis cerebral infantil, artritis, ulceras varicosas, pie diabético.
El ozono se forma cuando se aplica la energía suficiente a la molécula de oxígeno para
disociarla y formar radicales libres de oxígeno; de esta forma se cumple la condición; para
formar una reacción entre una molécula y un átomo de oxígeno y obtener la molécula de
ozono.
En la siguiente figura se muestra el proceso de formación de la molécula de ozono.
Figura 2.1 Formación de la molécula de ozono
La formación del ozono se describe como una reacción endotérmica, la cual se expresa
como: (Javier, 2003 ).
3O2
↔ 2O3 (ΔHº a 1 atm, + 284.5 kJ) (2.1)
2.1.1 Formas de generar ozono.
Las formas o métodos más utilizados para generar ozono son: descargas eléctricas,
radiación ultravioleta y electrólisis. De estos tres métodos el más destacado, por el
desempeño de su eficacia e implementación, es el método de la descarga corona. En la
siguiente sección se describe su principio de funcionamiento y sus principales
características.
La Figura 2.2 muestra el diseño típico de una celda de descarga de corona.
Figura 2.2 Configuración típica de una celda de descarga de corona para la generación de ozono
2.1.2 Generación de ozono por descargas eléctricas.
Para formar la molécula de ozono se requiere de una celda, como se muestra en la figura
2.3, formada por dos electrodos separados por una distancia, del orden de los milímetros; a
este espacio se le conoce como espacio de descarga.
Figura 2.3 Celda generadora de ozono por descargas eléctricas
Sobre uno de los electrodos se coloca un material dieléctrico, y en el espacio de descarga se
inyecta un flujo de aire o de oxígeno de alta pureza, el cual provee oxígeno para la
formación del ozono. Para el funcionamiento de la celda, se conecta a los electrodos una
señal eléctrica alterna, la cual permite la creación de un campo eléctrico intenso. Este
campo eléctrico se encarga de acelerar los electrones que se encuentran en el espacio de
descarga, de tal forma, que en la trayectoria del recorrido de estos electrones, colisionan
con las moléculas de oxígeno y logran la disociación de sus átomos. El siguiente paso para
la formación de la molécula de ozono es la reacción entre uno de estos átomos y una
molécula de oxígeno.
La construcción de la celda generadora de ozono da lugar a la formación de dos
capacitancias conectadas en serie, una de ellas es Cd, ésta se forma por el material
dieléctrico que se encuentra adherido sobre uno de los electrodos de la celda, y la otra
capacitancia Ca, se forma por la presencia del gas de alimentación que circula a través del
espacio de descarga.
Figura 2.4 Circuito eléctrico equivalente de una celda generadora de ozono
En la generación de ozono sólo de un 4% a un 12% de la energía es aprovechada para la
formación de ozono, el resto es transformado en calor y luz.
Este tipo de descarga eléctrica, que se realiza a través de un material aislante, da origen a la
formación de delgados filamentos, que en su conjunto se denominan microdescargas. A
este tipo de descarga eléctrica, se le conoce como descarga en barrera dieléctrica (DBD).
La tabla 2.1 describe las principales características de estas microdescargas.
Tabla 2.1 Principales características de las microdescargas
Duración 1-10 ns
Radio del filamento 0.1 mm
Corriente máxima 0.1A
Densidad de corriente 100-1000 A/cm2
Carga total 100-1000 pC
Densidad del electrón 1014
-1015
cm-3
Energía del electrón 1-10 eV
Temperatura del gas 25-100 ºC
La generación de ozono por descarga en barrera dieléctrica es el método más eficaz y el
más utilizado en aplicaciones de desinfección de agua. Es posible alcanzar producciones
del orden de 100 kg O3/h, lo cual, resulta complejo alcanzar con los métodos mencionados
anteriormente.
En la siguiente tabla se presenta un resumen comparativo de los principales métodos de
generación de ozono.
Tabla 2.2 Comparación de los principales métodos de generación de ozono
Método
Capacidad
típica de
generación de
ozono. g/h
Implementación Volumen agua
a tratar
Consumo
energía
D. Eléctricas 100 Sencilla Bajo a alto El menor
R. Ultravioleta 2 Sencilla Bajo
10 veces más
que el primer
método
Electrólisis 1 a 4 Complicada Bajo
15 a 20 veces
más que el
primer método
Si bien en el mercado existen distintos tipos de diseños de generadores de ozono
patentados, la mayoría son del tipo: (ENOHSa, 2003)
De tubo.
Placa de Otto.
Placa de Lowther.
En la Figura 2.5 y la Figura 2.6 se ilustran los diagramas de los generadores de placa de
Otto y de Lowther y del tipo de tubo, respectivamente. El diseño de la placa de Otto es el
más antiguo y opera a presión atmosférica o negativa con la ventaja de que puede funcionar
hasta puntos de condensación de –30ºC sin que sufra daños importantes. Sin embargo, su
eficiencia es menor que la de los otros dispositivos por lo que se la utiliza cada vez menos.
El dispositivo de placa de Lowther, se enfría por aire y puede utilizar aire atmosférico u
oxígeno puro. Requiere de menos energía que todos los otros generadores y funciona,
típicamente a una frecuencia de 2.000 Hz a 9.000 voltios a una presión de gas de cerca de
1.0 k/cm2. La información sobre la eficiencia de su funcionamiento a largo plazo es
limitada.
Figura 2.5 Generadores de ozono del tipo de placa: de Otto y de Lowther
Figura 2.6 Generador de ozono del tipo de tubo
2.1.3 Elementos que forman un generador de ozono.
El generador comporta dos partes que nos son significativas internamente: La parte
química-mecánica y la parte electrónica. La primera se compone de compresor, enfriador,
secadores y generador de ozono. La segunda se compone de: rectificador-doblador,
generador de señales, pre-amplificador, amplificador de potencia, transformador de alto
voltaje. La parte electrónica comporta algunos circuitos secundarios para mejorar el
desempeño. Los generadores consisten en: un tubo dieléctrico por el que se hace pasar
oxígeno, éste recibe una descarga eléctrica constante (llamado efecto corona) y que se ha
generado en un transformador. Este hecho provoca la transformación de la molécula de
oxígeno (O2) proveniente del aire, en una molécula de ozono (O3). (L.F, 2002)
Este gas (Ozono) es succionado por un sistema venturi y es mezclado con el agua que va a
ser tratada.
Un equipo generador de ozono para aplicaciones de desinfección de agua está constituido
por los elementos que se muestran en la siguiente figura.
Figura 2.7 Partes que forman un equipo generador de ozono.
Como se observa en esta figura, para desarrollar un equipo generador de ozono se requiere
del estudio de varias áreas de la física y química.
Cada una de las partes que componen el equipo generador de ozono desempeña un papel de
importancia para lograr la producción de ozono requerida y también su correcta operación.
2.1.3.2 Preparación del gas de alimentación.
Para la generación del ozono se requiere suministrar oxígeno a la celda. Este gas puede ser
oxígeno de alta pureza, o bien aire, cuya concentración de oxígeno en volumen es del 21 %.
El aire es una mezcla de varios gases, además del oxígeno se encuentra el nitrógeno en un
78% y en menor porcentaje aparecen el argón y el anhídrido carbónico.
Otro elemento presente en el aire, y al cual se debe prestar especial atención en la
generación de gas ozono, es el vapor de agua o el grado de humedad presente en el aire.
La humedad contenida en el aire puede reaccionar con los óxidos de nitrógeno que se
forman en el espacio de descarga de la celda y formar a su vez ácido nítrico, este
compuesto químico causa daños en los electrodos de la celda. Por esta razón se debe
controlar el grado de humedad presente en el aire, lo cual se consigue con secadores, tales
como la silica gel.
El contenido de humedad del aire se expresa en una temperatura de punto de rocío, que se
define como la temperatura en la cual el vapor de agua contenida en el aire se condensa. La
temperatura de punto de rocío que utilizan los equipos industriales de ozono está en el
rango de -60 y -80 ºC.
Otro aspecto importante en la preparación del gas de alimentación es la instalación de
filtros que impidan el paso de partículas de polvo al interior de la celda.
Cuando el gas de alimentación es oxígeno de alta pureza se evita el problema de la
humedad y dada la mayor presencia de oxígeno, en comparación con el aire, se pueden
obtener concentraciones de ozono de dos hasta cuatro veces mayores.
La elección de utilizar aire u oxígeno de alta pureza depende de las exigencias de la
aplicación. La mayoría de los generadores de ozono utilizan aire como gas de alimentación.
Sin embargo, aunque en menor cantidad, se tienen generadores de ozono para aplicaciones
de desinfección de agua a gran escala, en los cuales se justifica la inversión de equipo y
costo de operación para trabajar con oxígeno de alta pureza.
2.1.3.2 Celda generadora de ozono.
La celda generadora de ozono, figura 2.2, es aquella donde se lleva a cabo la formación del
gas ozono por medio del fenómeno de descarga en barrera dieléctrica.
Las celdas generadoras de ozono se fabrican en dos formas geométricas: celdas de placas
paralelas y cilíndricas.
Los materiales que se utilizan en la construcción de una celda se eligen de tal forma que
soporten la acción oxidante del ozono. Para el caso de los electrodos los materiales
utilizados son el acero inoxidable, tungsteno y el titanio.
Para el material dieléctrico se utiliza el vidrio, alúmina y mica, entre otros. En lo que
respecta a los accesorios y mangueras utilizadas en conexiones de la celda se puede utilizar
el teflón, el cual posee excelentes propiedades de resistencia a los efectos oxidantes del gas
ozono.
En la tabla 2.3 se presenta una clasificación de materiales en orden a su resistencia al efecto
oxidante del gas ozono.
Tabla 2.3 Clasificación de materiales para trabajar con el ozono.
2.1.4 Inyección de ozono al agua
Para lograr la desinfección del agua se requiere de una técnica adecuada de contacto del
ozono con el agua. Existen varias formas de aplicar el ozono en el agua, de las cuales,
destacan la difusión por burbujeo, la inyección por tubo Venturi, y para aplicaciones a
mayor escala se lo realiza mediante tanques de contacto con burbujeo.
2.1.4.1 Difusión por burbujeo
Esta técnica consiste en utilizar un difusor, como el que se muestra en la figura 2.8, de
material cerámico. Este dispositivo tiene en su superficie orificios del orden de las micras,
por los cuales se libera el ozono en forma de finas burbujas que entran en contacto con el
agua.
Figura 2.8 Difusor de gas ozono
La técnica de difusión de ozono por burbujeo es fácil de implementar, no tiene partes
móviles, requiere bajo mantenimiento y tiene mucha aceptación.
Un difusor en cambio, trabaja bajo presión, creando una columna de burbujas. Sus ventajas
son un alto rendimiento, construcción simple y ventajas para altas velocidades de flujo (por
ejemplo en sistemas de agua potable). Como desventajas tiene la superficie que requiere y
la necesidad de edificios altos para aumentar la eficiencia.
2.1.4.2 Inyector Venturi
El tubo venturi inyecta el gas en el agua vía un vacío. Su instalación es compacta y su
rendimiento de hasta 90%. Usa un sistema de chorro de burbuja.
Consiste de una sección de tubería, como se muestra en la figura 2.9, por la cual circula el
agua que se desea ozonificar; en esta sección de tubería se tiene una reducción de su
diámetro, de tal forma, que se logra una caída de presión en este punto, lo que se aprovecha
para instalar la entrada del gas ozono. La caída de presión en el tubo Venturi origina una
fuerza de succión del gas ozono, de esta forma se logra el contacto y la mezcla del ozono
con el agua.
Figura 2.9 Inyector Venturi
2.1.4.3 Aplicaciones a mayor escala.
Mediante tanques de contacto con burbujeo del ozono gas a contracorriente. El tanque de
contacto más común es un tanque con difusor a contracorriente. En este reactor el gas que
contiene el ozono forma pequeñas burbujas al pasar por un medio poroso en el fondo del
tanque. Al ascender las burbujas en el tanque, se transfiere el ozono de la fase gaseosa al
agua. (ENOHSa, 2003)
Como el ozono es poco soluble en el agua, para introducirlo en la corriente de agua a tratar
el gas debe entrar en estrecho contacto con la misma. Para lograr esto se utilizan distintos
tipos de dispositivos con los que se pueden generar finas burbujas (de 1 mm de diámetro
aproximadamente). El agua disuelve, preferentemente, el ozono presente en el gas
agregado, mientras que casi todo el oxígeno y el nitrógeno que lo acompañan pasan por el
agua sin llegar a disolverse. Ya en el agua, el ozono reacciona casi inmediatamente con la
materia orgánica, especialmente con los microorganismos, pero, como se mencionó
anteriormente, la mayor parte del ozono se descompone rápidamente en el agua. En el agua
existen ciertos compuestos que catalizan esta descomposición.
Para transferir el ozono al agua que se va a desinfectar, se utilizan distintos tipos de
contactores. El tipo de contactor a utilizar se selecciona en función del objetivo específico
de la ozonación, objetivos estos que se pueden agrupar en dos clases según la velocidad de
las reacciones involucradas en los mismos, a saber:
Reacciones rápidas: tales como las de inactivación de microorganismos; de
oxidación del hierro, manganeso y sulfuros; y las de mejoramiento de la floculación.
Reacciones lentas: como las de oxidación de los compuestos más difíciles de
oxidar, tales como los plaguicidas, compuestos orgánicos volátiles y otros
compuestos orgánicos complejos que, debido al tipo de cinética involucrada,
tienden a requerir tiempos de reacción más prolongados. En este tipo de reacciones,
la ozonación se suele complementar con luz ultravioleta o peróxido de hidrógeno
(“procesos avanzados de oxidación”), lo que, como ya se indicó, acelera las
reacciones.
Si el objetivo fundamental de la ozonación es la desinfección, lo que típicamente se suele
hacer es agregar, lo más rápidamente posible, suficiente cantidad de ozono como para
satisfacer la demanda de ozono y poder mantener un residuo de ozono durante un período
de tiempo lo suficientemente largo como para asegurar la inactivación o destrucción de los
microorganismos. Debido a que el ozono tiene un potencial de oxidación mayor que el del
cloro, la demanda de ozono, para la mayoría de las aguas, suele ser mayor que la de cloro.
Por lo general, ésta varía entre 3 y 9 mg/l.
Normalmente, durante la desinfección con ozono se trata de mantener un residual
mínimo de 0,4 a 0,5 mg/l después de 10 a 20 minutos de contacto con el agua.
El diseño y calidad de construcción del generador es crítico y, en general, determina el
éxito o el fracaso de los procesos de desinfección con ozono. Los tipos de contactores que
habitualmente se emplean en las plantas potabilizadoras son los siguientes:
Convencionales con difusores.
De turbina.
Columnas empacadas.
Inyectores.
Tubos en U profundos.
Si bien el tipo de contactor se selecciona en función de muchos factores, incluidos el
terreno disponible para su instalación y el costo de los mismos, en general, la selección
depende, como ya se dijo, de los objetivos específicos de la ozonación.
En la Tabla 2.4 se indican las selecciones apropiadas para cada uso:
Tabla 2.4 Selección de contactores (Fuente: AWWA, 1998)
En la Figura 2.10 se muestran tres diseños básicos de contactor:
El de cámaras separadas con pantallas o tabiques y difusor
El reactor agitado por turbina.
El difusor de burbujas de columnas múltiples.
Ensayos realizados han demostrado que con el difusor de burbujas de columnas múltiples
se alcanza la mayor eficiencia de transferencia.
En plantas potabilizadoras de menor capacidad, el ozono se produce, frecuentemente, a una
presión de 1.0 k/cm2 y se lo dispersa en forma de burbujas finas que se introducen en una
columna de agua de 5 metros de altura en la cual la oxidación y la desinfección se producen
simultáneamente.
Para acelerar la disolución del ozono y favorecer la mezcla, dispersando mejor las burbujas
y aumentar el tiempo de contacto, se suelen utilizar columnas o cámaras de contacto llenas
de trozos irregulares de material plástico o anillos cerámicos, o mezcladores estáticos y
difusores de hélice.
Con un difusor de columna o cámara de contacto se pueden alcanzar eficiencias de
transferencia del 90% o más. El tiempo de contacto que se utiliza para la oxidación y
desinfección, varía, generalmente, de 10 a 20 minutos
En los tres tipos de contactores que se muestran en la Figura 2.10, se emplea flujo en
contracorriente, en el que el agua fluye hacia abajo y las burbujas de aire ascienden de
modo de lograr el máximo tiempo de contacto posible.
Figura 2.10. Diagramas de contactores de ozono (Fuente: Reiff y Witt)
CAPITULO 3
METODOLOGÍA PARA EL CÁLCULO Y DISEÑO DE UN GENERADOR DE
OZONO.
3.1 Diseño del equipo generador de ozono.
3.1.1 Consideraciones y parámetros importantes
El tratamiento con ozono de aguas para el consumo se ha convertido en una vía muy
aconsejable:
Por la calidad del agua que se obtiene
Por su efecto económico
Como el uso más difundido es la degradación de orgánicos, se extiende rápidamente esta
aplicación a la industria de alimentos y bebidas como desinfectante estrella desfalcando a
su ya posicionado rival: el cloro. Las ventajas que el ozono presenta frente éste son tan
contundentes que casi ninguna industria que ha conocido su potencial ha continuado al
margen. No genera residuos, no requiere un manejo especial, tiene un costo de producción
muy bajo, se genera en el mismo sitio en el que se utiliza, son maquinarias simples de
operar, es 90 veces más oxidante, etc.
3.1.2 Parámetros de diseño
Las dosis de ozono necesarias para desinfectar el agua cambian según la calidad de ésta,
por ejemplo:
Para aguas subterráneas de buena calidad con baja turbiedad y contenido mineral:
0.25 a 0.5 mg/L (ó g/m3
).
Para aguas superficiales de buena calidad bacteriológica y el ozono aplicado
después de la filtración: 2 a 4 mg/L
Para aguas superficiales contaminadas y con el ozono aplicado después de la
filtración: 2.5 a 5 mg/L
Los tiempos de contacto requeridos para que el ozono inactive los microorganismos a estas
dosis es de unos 4 minutos (puede variar desde unos segundos a algunos minutos), a
diferencia de los grandes tiempos de contacto característicos de la desinfección con cloro.
Debido a la rapidez con que el ozono mata los microorganismos estos pequeños tiempos de
contacto no crean mayor problema. (L.F, 2002)
3.2 Metodología para el cálculo.
La formación de ozono en el ozonizador es directamente proporcional a la energía disipada
en la descarga si se mantiene constante la concentración del ozono y la temperatura. Como
85 – 95% de la energía eléctrica aplicada se transforma en calor en el espacio donde se hace
la descarga, si se aumenta la energía de entrada aumentará la temperatura, a no ser que se
suministre mayor refrigeración. Por consiguiente, la cantidad dedicada a producir la
descarga estará rigurosamente restringida por las disposiciones de refrigeración.
3.3 Materiales dieléctricos.
El material dieléctrico es un elemento de gran importancia para el correcto funcionamiento
de una celda. Sus principales funciones son: evitar un arco eléctrico, distribuir las
microdescargas y contribuir en la disipación del calor que se acumula en el espacio de
descargas. (www.buenastareas.com, 2006)
Este trabajo de investigación contempló el estudio de dos geometrías de celdas generadoras
de ozono: la de placas paralelas y cilíndrica. En el caso de la celda cilíndrica el material
dieléctrico está restringido al uso de vidrio, ya que de los materiales comerciales es el único
que se comercializa en forma tubular. Sin embargo, para la construcción de una celda de
placas paralelas se encontró que existe gran variedad de materiales dieléctricos, empleados
como aislamientos de motores eléctricos y transformadores, que pueden ser implementados
en esta geometría. La presentación comercial de estos aislantes es en forma de láminas y
soportan temperaturas mayores a los 100ºC. Los materiales evaluados para la elección del
material dieléctrico para la celda generadora de ozono de placas paralelas fueron: Mica,
Myler Dacrón, Nómex, Myler, Rag Myler y Vidrio Epóxico.
A continuación se presenta la caracterización eléctrica realizada sobre los materiales
anteriormente mencionados.
3.3.1 Caracterización eléctrica de materiales dieléctricos.
Las propiedades eléctricas de mayor relevancia para estudiar en un material dieléctrico son:
la constante dieléctrica, la rigidez dieléctrica y el factor de pérdida.
La constante dieléctrica o permitividad relativa se refiere a una cantidad que se asigna a
un material para evaluar su capacidad para almacenar carga electrostática.
La rigidez dieléctrica corresponde al máximo gradiente de potencial que un material puede
soportar sin que se produzca la ruptura dieléctrica, es decir, que el material conserve sus
propiedades aislantes.
El factor de pérdida se refiere al comportamiento resistivo que presenta el material
dieléctrico y que origina la circulación de una corriente de fuga If por este medio. La
corriente If ocasiona un calentamiento del material que causa su deterioro y posterior
destrucción. El factor de pérdida se mide en relación a la magnitud de If.
Las hojas de datos de los fabricantes de materiales dieléctricos ofrecen información acerca
de los parámetros eléctricos del material. Sin embargo, para la elección del material
dieléctrico se requirió información no contemplada en las hojas de datos. Ésta información
consiste en encontrar el comportamiento del factor de pérdida y de la permitividad relativa
a variaciones de frecuencia entre los 3 y 50 kHz a diferentes temperaturas de operación.
3.3.2 Selección del material dieléctrico.
Para la elección del material dieléctrico de la celda generadora de ozono se consideró que
dicho material debería cubrir los siguientes requisitos: alta rigidez dieléctrica, permitividad
relativa alta, factor de pérdida pequeño, resistencia a la erosión por acción de las
microdescargas, resistencia a la acción oxidante del ozono, bajo costo y soporte mecánico
adecuado que evite la deformación y facilite la construcción de la celda.
A continuación se presenta en la tabla 3.1 la comparación de los parámetros de mayor
relevancia para la elección del material dieléctrico.
Tabla 3.1 Comparación para la elección del material dieléctrico
Parámetros Myler Nómex Myler
Dacrón
Mica Rag
Myler
Vidrio
epóxico
Factor de pérdida
mínimo a 25ºC
0.0075 0.015 0.01 0.015 0.025 0.034
Factor de pérdida
máximo a 25ºC
0.013 0.0208 0.013 0.031 0.049 0.041
Permitividad
relativa mínima
a 25ºC
2.68 2.022 1.909 1.43 3.13 2.72
Permitividad
relativa máxima
a 25ºC
2.72 2.09 1.95 1.45 3.31 2.90
Factor de pérdida
mínimo a 70ºC
0.006 0.016 0.01 0.014 0.05 0.058
Factor de pérdida
máximo a 70ºC
0.01 0.019 0.017 0.036 0.096 0.064
Permitividad
relativa mínima
a 70ºC
2.72 2.11 2.22 1.44 3.5 3.5
Permitividad
relativa máxima
a 70ºC
2.83 2.13 2.27 1.47 3.5 3.63
Rigidez dieléctrica Alta Alta Alta Alta Alta Alta
Resistencia al ozono Bueno Regular Bueno Bueno Bueno Bueno
Resistencia a la erosión
por descargas
Malo Regular Malo Bueno Malo Malo
Soporte mecánico Malo Malo Malo Bueno Malo Malo
Costo Bajo Bajo Bajo Bajo Bajo Bajo
En la tabla 3.1 se puede observar que a pesar de que existen materiales con excelentes
características eléctricas, la mayoría de ellos no cumplen con los requisitos de resistir la
erosión de las descargas eléctricas y proporcionar el soporte mecánico adecuado para
construcción de la celda. Por esta razón, se eligió a la Mica como material dieléctrico, que
ocupa el cuarto lugar en desempeño eléctrico, pero tiene una resistencia buena a la erosión
por descargas eléctricas y ofrece un buen soporte mecánico.
3.4 Diseño de una celda generadora de ozono de placas paralelas.
La presente metodología es válida para el diseño de celdas de placas paralelas, para operar
en frecuencias altas de 5kHz a 30kHz, con un consumo de potencia de hasta 10 Watts,
enfriadas por aire y usando mica como material dieléctrico. Algunas consideraciones de
diseño son resultado de la experimentación en este tipo de celdas.
3.4.1 Cálculo de la producción de ozono requerida para desinfección de agua
El cálculo de una celda generadora se basa en la cantidad de ozono que se desea producir
para cubrir una aplicación específica de desinfección de agua. La producción puede ser
calculada mediante la ecuación (3.1). (Bataller L.A., 2000)
Pd= DsCl (3.1)
Donde Pd es la producción deseada (g/h), Ds es la dosificación de ozono (g/l), es decir, la
cantidad de ozono (gramos) necesaria para desinfectar un litro de agua y Cl es la capacidad
de desinfección del sistema (l/h), es decir, la cantidad de litros de agua que se desea
desinfectar en una hora. La dosificación puede encontrarse experimentalmente, mediante la
estimación de la cinética de consumo de ozono en el agua, para cada caso específico. Otra
forma de estimarla es aplicando reglas de desinfección establecidas por los organismos que
rigen estas aplicaciones.
3.4.2 Cálculo de potencia que debe consumir una celda generadora de ozono
El cálculo de la potencia consumida por la celda depende de la eficacia que se espera
alcanzar con la celda. La eficacia de una celda generadora real queda determinada por el
tipo de gas de alimentación y la temperatura de operación de la celda. La potencia que debe
consumir una celda para generar la cantidad requerida de ozono para cierta aplicación
puede ser calculada de la siguiente forma. (Bataller L.A., 2000)
KW
W
Ef
PdPg
1
1000 (3.2)
Donde Pg es la potencia consumida por la celda generadora de ozono, dada en Watts, Pd es
la producción deseada, calculada por la ecuación (3.1), Ef
es la eficacia real de la celda
(g/kWh)
Si la producción de ozono deseada demanda una potencia de consumo mayor a 10W, se
recomienda hacer un arreglo en paralelo de celdas de hasta 10W, de manera que quede
satisfecha la demanda de ozono. El límite de potencia de 10 W fue establecido ya que
construir una celda generadora de ozono de mayores dimensiones resulta impráctico para
una implementación física.
3.4.3 Dimensionamiento de una celda generadora de ozono de placas paralelas.
El comportamiento de una celda generadora de ozono puede ser descrito por el modelo
eléctrico no lineal mostrado en la figura 3.1
Figura 3.1 Representación eléctrica no lineal de la celda generadora de ozono.
Donde, Vp es el voltaje pico aplicado a la celda, Ca y Cd representan las capacitancias del
espacio de descargas y la del dieléctrico respectivamente y Vz es el voltaje de
mantenimiento de las descargas.
La potencia consumida en una celda generadora de ozono (Pg) puede ser calculada por la
fórmula de Manley, ecuación (3.3). (Javier, 2003 , págs. 177-178)
Vz
Cd
CaCdVpfCdVzPg 4 (3.3)
Donde f es la frecuencia de operación.
El valor estático de Ca y Cd, cuando no hay descargas, puede estimarse tomando en cuenta
la geometría, dimensiones físicas y materiales empleados en la celda generadora de ozono.
Para el caso específico de una celda de placas paralelas éstas pueden ser calculadas con las
ecuaciones (3.4) y (3.5).
2
0
d
ACa
(3.4)
1
0
d
ACd r
(3.5)
Donde, εr es la permitividad relativa del material dieléctrico, ε
o es la permitividad del vacío
(8.854 x 10-12
C2
/N.m2
), d1
y d2
son el espesor del dieléctrico y espacio de descarga
respectivamente (m).
Los valores reales de las capacitancias Ca y Cd son resultado del efecto capacitivo
promedio en la celda bajo ciertas condiciones de operación y por lo tanto, varían para
distintos valores de excitación. Sin embargo, las capacitancias estáticas calculadas con (3.4)
y (3.5) proporcionan una aproximación a los valores reales.
La variable d1
se determina por la rigidez dieléctrica del respectivo material. El criterio para
su selección debe considerar que la rigidez dieléctrica debe ser al menos el doble del voltaje
pico Vp aplicado a la celda. Otro factor a considerar es que el uso de un material dieléctrico
más grueso implicará aplicar un mayor voltaje a la celda para originar el mismo efecto de
ionización del aire. Por esto es recomendable el uso de un espesor más delgado que cumpla
la condición de la rigidez dieléctrica. Los espesores comerciales y la rigidez dieléctrica de
la mica se presentan en la tabla 3.2.
Tabla 3.2 Espesores comerciales y rigidez dieléctrica de la mica
Espesores comerciales
de la mica (mm)
Rigidez dieléctrica
(fabricante)
Voltaje pico máximo
recomendado (Vp
max)
0.2 18kV 9kV
0.3 27kV 13.5kV
0.5 45kV 22.5kV
La ecuación (3.3) establece una relación entre las magnitudes eléctricas y de construcción
de una celda generadora de ozono. De esta forma se puede advertir que Pg es directamente
proporcional a cuatro principales factores: voltaje de alimentación Vg, frecuencia de
operación f, área de descarga A y permitividad relativa del material dieléctrico empleado εr.
Por lo que, al usar altas frecuencias en celdas generadoras de ozono es posible disipar la
misma potencia con voltajes y áreas de descarga menores a los empleados en baja
frecuencia. Esta característica permite que los equipos generadores de ozono, a altas
frecuencias, reduzcan drásticamente su tamaño. Sin embargo, la reducción del tamaño del
área de descarga trae consigo un calentamiento mayor en los electrodos. Un calentamiento
excesivo de la celda generadora de ozono hace necesario el uso de sistemas de enfriamiento
más elaborados, para poder garantizar su correcto funcionamiento. Típicamente, la
densidad de potencia en ozonizadores a alta frecuencia oscila entre 1 y 5 kW/m2.
Según
experimentaciones realizadas, para el uso de sistemas de enfriamiento por aire se
recomienda una densidad de potencia de 1 kW/m2
.
Una forma de estimar el área de descarga en una celda generadora es mediante la ecuación
(3.6). Esta ecuación relaciona al área de descarga con la densidad de potencia. (al., 1988)
Kd
PgA (3.6)
Donde, A es el área de descarga y Kd es la densidad de potencia recomendada de acuerdo
al tipo de sistema de enfriamiento empleado.
El voltaje al que inician las microdescargas en el espacio de descargas depende de la
presión del gas de alimentación, del tipo de gas y el espacio de descargas.
Este voltaje de inicio de descargas puede ser estimado mediante la ecuación de Paschen,
(3.7) (Javier, 2003 ).
Vu = Kp1 d2 Ps +Kp2 (3.7)
Donde, Vu es el voltaje de inicio de descargas (volts), Kp1
y Kp2
son constantes que
dependen del tipo de gas de alimentación, y Ps es la presión absoluta del gas de
alimentación (kPa). Kp1
toma valores de 29.64 para aire y 26.55 para oxígeno y Kp2
toma
valores de 1350 para aire y 1480 para oxígeno.
La fórmula de potencia (3.3) presenta la desventaja de que depende del voltaje de
mantenimiento Vz, el cual es un parámetro que no se puede estimar de forma directa. Sin
embargo, la potencia puede ser calculada empleando el voltaje de umbral Vu, de la
siguiente manera (ENOHSa, 2003).
)(4 VuVpVuCaCd
CdfCdPg
(3.8)
Despejando el voltaje pico Vp de la ecuación (3.8) y sustituyendo en ella las ecuaciones
(3.4), (3.5) y (3.7) tenemos.
221
2212
121
2
2
0 )(4
kpPsdkp
KpPsdKpddd
Adf
PgVp
r
r
(3.9)
Proponiendo y sustituyendo los datos f, Kp1, Kp2, d1, εr,
εo,
A, Pg y Ps en la ecuación
(3.9). El voltaje pico Vp, queda únicamente dependiente del espacio de descargas d2. Para
elegir el valor de d2
se recomienda graficar el Vp contra varios valores de espacio de
descarga. El voltaje de operación elegido deberá cumplir con la condición Vp ≤ Vpmax,
donde Vpmax es el voltaje pico máximo recomendado (tabla 3.2). De no cumplirse la
condición anterior se recomienda usar un dieléctrico más grueso y volver a graficar Vp
contra d2, hasta que se cumplan todas las condiciones.
3.5 Diseño de un sistema de enfriamiento por aire para una celda generadora de
ozono.
El sistema de enfriamiento de una celda generadora de ozono es fundamental para el buen
desempeño de la misma. Parte de la energía eléctrica aplicada a una celda generadora de
ozono es disipada en calor. Esto provoca un incremento considerable de la temperatura al
interior del espacio de descargas. Dado que el ozono es termodinámicamente inestable, el
que la celda opere a altas temperaturas origina un efecto negativo en la producción de
ozono.
La metodología presentada a continuación aplica solamente a un sistema de enfriamiento
por aire empleando disipadores de calor tipo aleta con ventilador.
3.6 Fundamentos de la transferencia de calor
El diseño de un sistema de enfriamiento o de un intercambiador de calor se fundamenta en
el estudio de la transferencia de calor. Existen tres modos de transferir calor: conducción,
convección y radiación. De estos, los de mayor relevancia para el cálculo de un sistema de
enfriamiento por aire son la conducción y la convección, puesto que a las temperaturas de
operación de una celda generadora de ozono la transferencia por radiación es despreciable.
3.6.1 Transferencia de calor por conducción
La transferencia de calor a través de un material sometido a un gradiente de temperatura es
conocida como transferencia de calor por conducción. El calor pasará del punto más
caliente al más frío. La transmisión de calor por conducción debe tener en cuenta la
conductividad térmica de las sustancias, es decir, la cantidad de calor transmitido por
unidad de tiempo, superficie y gradiente de temperatura. Cada material posee distinta
conductividad térmica.
En la tabla 3.3 se muestran las conductividades térmicas de los materiales de interés
empleados en el cálculo del sistema de enfriamiento de una celda generadora de ozono.
Tabla 3.3 Conductividades térmicas de algunos materiales
Material
Conductividad térmica
Kt (W/m.ºC)
Acero inoxidable 316 46
Aire (27ºC) 0.026
Aluminio 2.37
Mica 0.44
Oxígeno (20 ºC) 0.026
La resistencia térmica por conducción depende de la conductividad térmica del material
empleado y de sus dimensiones físicas. Ésta puede ser calculada con la ecuación (3.10).
𝑅𝑐𝑜𝑛𝑑 = ∆𝑥
𝐴𝑐𝐾𝑡 (3.10)
Donde, Rcond es la resistencia térmica por conducción de un material (ºC/W), Δx es el
espesor del material (m), Ac es el área de contacto con el material a enfriar (m2) y Kt es la
conductividad térmica del material (W/m ºC).
3.6.2 Transferencia de calor por convección.
Cuando existe una transferencia de calor entre un sólido y un fluido se dice que hay una
transferencia de calor por convección. Existen dos tipos de convección: la natural y la
forzada. La convección natural se presenta cuando el intercambio de calor se lleva a cabo
entre un sólido y el fluido que lo rodea. En este caso, el fluido en contacto con el sólido se
mueve únicamente a causa de las diferencias de densidad. Por el contrario, la convección
forzada ocurre cuando el fluido que rodea al sólido se encuentra en movimiento por acción
de un elemento externo.
La transferencia de calor por convección depende de la viscosidad del fluido además de las
propiedades térmicas del fluido (conductividad térmica, calor específico, densidad). El
efecto global de la convección puede ser expresado por la ley de Newton del enfriamiento,
ecuación (3.11).
𝑞𝑐 = ℎ 𝐴𝑐 (Tp − T∞) (3.11)
Donde, qc es el flujo de calor transferido (W), h se denomina coeficiente de transferencia
de calor por convección (W/m2 ºC), Ac es el área de la superficie de contacto entre el sólido
y el fluido (m2), Tp y T
∞ son la temperatura del sólido y la temperatura del fluido
respectivamente (ºC).
El coeficiente de transferencia de calor por convección puede ser calculado analíticamente
en algunas ocasiones.
Sin embargo, en situaciones complejas debe ser determinada experimentalmente. Algunos
fabricantes de disipadores de calor o intercambiadores de calor ofrecen este dato para cada
uno de sus dispositivos.
La resistencia térmica por convección puede expresarse con la ecuación (3.12)
𝑅𝑐𝑜𝑛𝑣 = 1
ℎ𝐴𝑐 (3.12)
3.7 Circuito térmico y las leyes que lo rigen.
Al igual que en un circuito eléctrico básico, en un circuito térmico existen tres elementos
fundamentales: flujo energético o corriente, diferencia de potencial y el elemento resistivo.
Haciendo una analogía térmica a eléctrica, la temperatura cumple la función de la tensión
eléctrica, las resistencias térmicas de las resistencias óhmicas y el flujo de calor a una
corriente eléctrica. Para que se lleve a cabo el flujo de energía calorífica de un punto a otro
en un circuito térmico, debe existir una diferencia de temperatura.
El calor pasará del punto más caliente al más frío. Sin embargo, existen factores que
dificultaran esta transferencia. A estos factores se les denomina resistencias térmicas.
En la figura 3.2 se muestra la transferencia de calor unidimensional a través de una pared
plana y su analogía eléctrica.
Figura 3.2 Transferencia de calor unidimensional a través de una pared y su analogía
eléctrica.
La ley fundamental que rige a un circuito térmico es la ley de Fourier ecuación (3.13),
similar a la ley de Ohm en un circuito eléctrico.
𝑞𝑐 = ∆𝑇
𝑅𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 (3.13)
El flujo de energía calorífica qc dado en Watts, la temperatura ΔT dada en ºC y la
resistencia térmica Rtérmica dada en ºC/W.
3.7.1 Potencia disipada y temperatura de operación de una celda generadora de ozono
La potencia total disipada en calor depende principalmente de la densidad de potencia Kd a
la que se diseña la celda. Para una celda construida con una densidad de potencia de
1kW/m2, La potencia disipada en calor por la celda qt puede ser calculada de la siguiente
manera:
𝑞𝑡 = 𝑃𝑔 (% 𝑑𝑖𝑠𝑖𝑝𝑎𝑐𝑖ó𝑛)
100% (3.14)
Del mismo modo pueden ser calculadas las potencias disipadas por los electrodos.
Otro dato necesario para emprender el cálculo del sistema de enfriamiento es la temperatura
del espacio de descarga a la que deseamos que opere la celda. Para un sistema de
enfriamiento como el propuesto, la temperatura de operación nunca será menor a la
temperatura ambiente. Adicionalmente, hay que considerar que la temperatura en algunos
lugares supera los 40ºC en primavera. Para este caso crítico es recomendable que la
temperatura de operación se mantenga debajo de los 50 ºC, ya que de lo contrario el ozono
generado será destruido inmediatamente después de creado. Sin embargo, las mejores
eficiencias eléctricas de una celda generadora de ozono se obtienen cuando la temperatura
de operación de la celda se encuentra por debajo de los 33 ºC.
3.7.2 Cálculo del sistema de enfriamiento de una celda generadora de ozono.
La representación del circuito térmico de la celda generadora con y sin sistema de
enfriamiento se presenta a continuación.
Figura 3.3 Circuito térmico de una celda generadora de ozono a) Sin sistema de
enfriamiento b) Con sistema de enfriamiento.
Td y Ta son las temperaturas del espacio de descarga y ambiente respectivamente, qt es el
calor total que la celda debe disipar, qe y qd
son el calor a disipar en cada uno de los
electrodos de la celda. Rdiel es la resistencia térmica por conducción que ofrece el material
dieléctrico al flujo de calor, Relec 1 y 2 de la figura 3.3. (a) representan las resistencias
térmicas de los electrodos por conducción y convección natural con el ambiente. Mientras
que Relec 1 y 2 de la figura 3.3. (b) representan las resistencias térmicas de los electrodos
únicamente por conducción. Rdis 1 y 2 representan las resistencias térmicas producidas por
el sistema disipador-ventilador, es decir, la resistencia térmica que ofrece el sistema de
enfriamiento por conducción y convección forzada.
El cálculo del sistema de enfriamiento parte del circuito térmico de la figura 3.3 (b). Las
resistencias Rdiel, Relec1 y Relec2
pueden ser calculadas en base a las dimensiones y
conductividades térmicas de los materiales usados (tabla 3.4), mediante la aplicación de la
ecuación (3.10).
El calor disipado en la celda y en cada uno de los electrodos puede ser estimado con la
ayuda de ecuación (3.14). Se propone la diferencia de temperaturas ΔT a la que va a operar
la celda generadora de ozono, tomando en consideración el caso crítico, es decir, una
temperatura ambiente superior a 40 ºC.
Las resistencias térmicas equivalentes de cada rama del circuito de la figura 3.4 (b) pueden
ser calculadas con las ecuaciones (3.15) y (3.16). (J.P., 1988)
𝑅𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎1 = ∆𝑇
𝑞𝑒 (3.15)
𝑅𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎2 = ∆𝑇
𝑞𝑑 (3.16)
Las resistencias térmicas equivalentes de cada rama Rdis 1 y 2 pueden ser calculadas con
las ecuaciones (3.17) y (3.18) respectivamente.
Rdis1 = Rtermica1 – Relec1 (3.17)
Rdis2 = Rtermica2 – Relec2 – Rdiel (3.18)
Conociendo el valor de Rdis de cada rama se elige el disipador y el ventilador cuya
resistencia térmica Rsel sea igual o menor que Rdis calculada, y que físicamente pueda ser
instalado. El disipador y el ventilador se eligen con ayuda de las curvas de selección
proporcionadas por el fabricante.
3.8 Selección de la frecuencia de operación.
La selección de la frecuencia de operación consiste en encontrar la frecuencia en la cual la
celda generadora de ozono presente la más alta eficacia (g/kWh), es decir, encontrar la
frecuencia en donde se produzca la mayor cantidad de ozono, con la menor cantidad de
energía invertida en operación de la celda de placas paralelas construida.
La eficacia se obtiene a partir de datos medidos con la ecuación (3.19).
)1000(Pg
gCE
= 34.28 g/kWh (3.19)
Donde, C es la concentración de ozono dada en g/m3
, øg
es el flujo del gas de alimentación
dada en m3
/h, y Pg es la potencia consumida por la celda en Watts. La eficacia Ef está
dada en g/kWh.
La eficacia es un parámetro relacionado con la energía que consume celda generadora de
ozono para producir cierta cantidad de ozono. La energía que se disipa en una celda
depende principalmente de la energía que consume la reacción de síntesis de ozono
ecuación (3.20).
3O2↔2O3 (ΔH° a 1atm, + 284.5kJ) (3.20)
Según la reacción (3.20) se requieren 284.5 kJ para formar dos moles de ozono, es decir,
para producir 96 g de ozono. La eficacia máxima teórica alcanzada con una celda sin
pérdidas (100% eficiente), cuando se le aplica 1kWh de energía, puede calcularse de la
siguiente forma.
kWh
g
h
s
kW
W
Jx
g
EcEi 76.1214
1
3600
1
1000
105.284
96Pr3
(3.21)
Donde, Ei es la eficacia máxima ideal, cuando la celda consume 1kWh, dada en g/kWh, Pr
es la producción de ozono en la reacción (3.21), dada en gramos, Ec es la energía invertida
en la reacción (3.20), dada en Joules.
La eficacia ideal es un parámetro que sirve de comparación con las celdas reales.
En la figura 3.4 se muestra la respuesta de eficacia a cambios de frecuencia.
Figura 3.4 Respuesta de la eficacia a cambios de frecuencia.
La frecuencia de operación es uno de los factores que afectan directamente la potencia
disipada en la celda. De la gráfica de la figura 3.4 se puede observar que en la frecuencia de
17.5 kHz, la eficacia presenta su máximo valor. El pico de eficacia se debe a que a esta
frecuencia hay una buena relación entre la potencia disipada en la celda y el sistema de
enfriamiento implementado. Lo cual favorece la reacción de síntesis de ozono. Por lo tanto,
la frecuencia elegida para la operación de celda generadora de ozono fue de 17.5 kHz.
MATERIALES Y MÉTODOS.
4.1 DISEÑO METODOLÓGICO DEL PROYECTO DE LA INVESTIGACIÓN
El proceso investigativo se lo realizó en la ciudad de Loja en las instalaciones del Área de
la Energía, las Industrias y los Recursos Naturales no Renovables de la Universidad
Nacional de Loja.
La investigación de la tesis se enmarcó en un estudio analítico, descriptivo y explicativo
acerca de la generación de ozono empleada en la potabilización de agua; para ello fue
necesario el diseño y construcción de una máquina ozonizadora para realizar el estudio
antes mencionado; estableciendo una metodología adecuada la misma que consta de dos
partes fundamentales, la primera encaminada a la búsqueda de información bibliográfica
que permita la identificación del problema, objetivos e hipótesis de investigación; y la
segunda dirigida a obtener, la información primaria, es decir directamente del campo
investigativo, el mismo que realizará en empresas e industrias dedicadas a éste tipo de
tareas, empleando la técnica de la observación.
Se indica que para la realización de la tesis se utilizó recursos como el humano (dos
integrantes), financieros, técnicos (taller del A.E.I.R.N.N.R.) y materiales; los cuales nos
permitieron alcanzar los objetivos establecidos.
Finalmente se comprobó la generación de ozono, determinando sus propiedades tanto
físicas, químicas y mecánicas de ozonizador la que nos permitió garantizar la confiabilidad
del trabajo.
4.2 MÉTODOS, MATERIALES Y TÉCNICAS DE TRABAJO
4.2.1 Métodos
Se tomaron en cuenta los siguientes métodos:
4.2.1.1 Metodología para alcanzar el Objetivo especifico 1.
Se accederá a diferentes portales de internet, revistas y documentos técnicos.
Se realizará un análisis teórico de las propiedades, beneficios y características del
ozono.
Se analizará las aplicaciones del ozono en la potabilización de agua.
Se comparará los métodos de desinfección de agua.
Estas actividades se desarrollarán de manera exploratoria y descriptiva, es decir se
buscará familiarizarse con el tema planteado y de esta manera saber como es y
cómo opera cada uno de sus componentes.
4.2.1.2 Metodología para alcanzar el Objetivo especifico 2
Una vez teniendo un conocimiento claro se realizará un diseño acorde a las
necesidades del equipo en cuanto a su capacidad de generación y procesos de
purificación.
Se analizará varias tecnologías utilizadas en la construcción de equipos de
generación de ozono.
Se realizará el Cálculo y selección de los materiales para el prototipo.
Se diseñará y construirá el prototipo generador de Ozono.
Se determinará las condiciones de trabajo del prototipo generador de Ozono.
4.2.1.3 Metodología para alcanzar el Objetivo especifico 3
Se harán pruebas de funcionamiento del equipo en periodos prolongados.
Se tomarán diferentes muestras de agua a las cuales se les aplicará ozono y se
realizará el análisis químico en un laboratorio reconocido y confiable de la ciudad.
Se visualizará plenamente la efectividad del sistema en cuanto a resultados
obtenidos.
4.2.1.4 Metodología para alcanzar el Objetivo especifico 4
Se dará a conocer los resultados físico, químico, y microbiológico obtenidos de la
muestra de agua y analizados en el laboratorio.
Se demostrará mediante software de simulación el correcto funcionamiento del
sistema de control del equipo.
Se presentará los planos de diseño del equipo generador de ozono.
4.3 Técnicas de trabajo
4.3.1 Técnica de la observación. Esta técnica fue muy importante ya que nos ayudo a
tener bien claro y detallado el sistema que se va a implementar, con la finalidad de no
dejar ningún factor fuera de análisis y que pueda influir en la efectividad del mismo.
4.3.2 Técnica de la entrevista. Existe en ella convenio del dar y obtener información a
través de un proceso de pregunta –respuesta hasta llegar a la obtención de un resultado,
tanto personal, técnico como empírico, sobre el objeto de transformación.
Aquí recopilamos experiencias a personas inmersas en el tema de investigación.
Este método se realizo con personas conocedoras del tema las mismas nos supieron orientar
en este proceso investigativo y también nos aconsejaron investigar más sobre esta nueva
tecnología de tratamiento ya que la misma es efectiva y no es perjudicial para el medio
ambiente.
4.4 Instrumentos.
Difusor de burbujas (oxido de aluminio)
Mangueras de silicón
Celda generadora de ozono
Autotransformador de alto voltaje.
Disipadores de calor.
interruptor
Bomba de aire, compresor
Fuente de alimentación de 12V dc
Circuitos electrónicos
Secador de Aire (silica gel, Alumina activa)
4.5 Equipos
Computadora
Impresora
Papel de impresión
Cartuchos de tinta
Cds
Memorias USB
Calculadora
Cámara Fotográfica
4.5.1 Técnicos.
Instrumentos de medición
Manuales
Internet
Catálogos
Libros
4.5.2 Tecnológicos
Software Autocad
Software Mathcad
Microsoft Office.
Isis Proteus 7.6.
Microsoft excel.
4.6 Resumen de cálculos.
4.6.1 Resumen el cálculo de las dimensiones físicas de la celda generadora de ozono.
A continuación se presenta el cálculo de las dimensiones físicas de la celda generadora de
ozono diseñada para este proyecto.
Cálculos de las dimensiones físicas de la celda generadora de ozono
Ds = 2mg/l Dosis de ozono abalado por la IBWA
Cl = 120 l/h Capacidad del sistema propuesta.
Aire, como gas de alimentación
Aire con +2ºC de punto de rocío (20.62% de humedad
relativa). Representa una alternativa más económica en
comparación con el oxígeno de alta pureza.
Ps =135.775 x 10 3
Pa Presión absoluta del gas de alimentación Patm +
Pman(34,47Kpa man)
Ef = 34.58 g/kWh Eficacia real de la celda cuando se emplea aire como gas de
alimentación y un flujo de 2 LPM.
Kd = 1000W/m2
Presentó buenos resultados con un sistema de enfriamiento
por aire.
f = 17500 Hz Frecuencia.
d1 = 0.3 x 10
-3
m Propuesto como dato inicial. Espesor del dieléctrico
εo = 8.854 x 10
-12
C2
/N.m2
Permitividad del vacío.
εr (mica) = 1.45 Permitividad relativa de la mica encontrada
Kp1 (aire) = 29.64 Constantes de Paschen cuando se tiene aire como gas de
alimentación.
Kp2 (aire) = 1350
No. Paso Parámetro Fórmula Cálculo
1 Calcular la
producción de
ozono
Pd=DsCl
Ec. (3.1)
Si Ds= 2mg/l
y Cl =120 l/h
Pd = 0.24 g/h
2 Elegir gas de
alimentación
------
Aire y
Ps = 135.775kPa
3 Calcular la potencia
a disipar en la celda
(Pg)
Ef
Ec. (3.2)
𝑃𝑔 =𝑃𝑑
𝐸𝑓(1000𝑊
1𝐾𝑊)
Si Pd =0.24 g/h y
Ef = 34.58 g/kWh
Pg = 6.94 Watts
4 Calcular área de
descarga (A)
A=Pg/Kd
Ec. (3.6)
Si Pg = 6.94 W y
Kd = 1000W/m2
A= 6.94 mm2
5 Elegir frecuencia
(f), y espesor del
dieléctrico (d1)
------
f = 17.5 kHz
y d1 = 0.3 mm
6
Graficar Vp vs d2
Aplicar la ecuación
(3.9)
Datos:
f = 17500 Hz
εo
= 8.854 x 10-12
C2
/N.m2
εr (mica) = 1.45
A = 6.94 x 10-3
m2
d1 = 0.3 x 10
-3
m
Kp1 (aire) = 29.64
Kp2 (aire) = 1350
Ps =135.775 x 10 3
Pa
Pg = 6.94 Watts
7
Elección del voltaje
pico Vp
y espacio de descarga
d2
------
Vp = 2778 y
d2 = 0.3 mm
8
Evaluación condición
de voltaje de ruptura
dieléctrica
Vp ≤ Vpmax
2778 ≤ 13.5kv por lo tanto si cumple
9
En resumen las dimensiones físicas y punto de operación de la celda son:
Parámetro
Voltaje pico 2778 V
Potencia disipada 6.94 W
Área de descarga 6.94 mm2
Espesor del dieléctrico 0.3 mm
Espacio de descarga 0.3 Mm
4.6.2 Resumen del cálculo del sistema de enfriamiento del caso de estudio.
Datos iniciales Observaciones
Ac =7.6 mm2
Área de contacto con el elemento a enfriar
Kt (mica) = 0.44 W/mºC Conductividad térmica de la mica, tabla 3.3
Kt (acero inox.) = 46 W/mºC Conductividad térmica del acero inoxidable, tabla 3.3
Δx (dieléctrico) = 0.3 mm Espesor de la mica, tabla 3.2
Δx (electrodo) = 1mm Espesor del electrodo de acero inoxidable
Pg = 7 Watts Potencia eléctrica disipada en la celda. Anexo 1
qe % = 9.94 % Porcentaje de la potencia Pg que se disipada en calor a través de
uno de los electrodos, qe. Anexo 1
qd % = 10.15 % Porcentaje de la potencia Pg que se disipada en calor a través de
uno de los electrodos, qd. Anexo 1
ΔT = 1ºC Diferencia de temperatura entre el espacio de descarga y la
temperatura ambiente.
N.Paso Parámetros Fórmula Cálculo
1 Calcular Rdiel,
Relec1
y Relec2
)(
)(
micaAcKt
odielectricxRdiel
.)(
)(Re 1
aceroinoxAcKt
electrodoxlec
12 ReRe leclec
Rdiel= 89.24x10-3
ºC/W
Relec1= 2.84x10
-3
ºC/W
Relec2= 2.84x10
-3
ºC/W
2 Calcular qe y qd
%100
%)( e
e
qPgq
%100
%)( d
d
qPgq
qe = 0.69 W
qd = 0.71 W
3 Proponer ΔT ------- ΔT = 1ºC
4 Calcular Rtermica1
y
Rtermica2 eq
TRtermica
1
dq
TRtermica
2
Rtermica1= 1.45 ºC/W
Rtermica2= 1.4 ºC/W
5 Calcular Rdis1
y Rdis2
111 Re lecRtermicaRdis
RdiellecRtermicaRdis 222 Re
Rdis1 = 1.44 ºC/W
Rdis2 = 1.31 ºC/W
6 Elegir disipador-
ventilador
Se eligió un disipador de la empresa AAVID THERMALLOY.
Número de parte: 61060 , Longitud : 75 mm., Área de superficie: 6.23
mm2 (THERMALLOY, 2004)
Perfil del disipador elegido
Figura 4.1 Resistencia térmica por convección forzada del
disipador elegido
Se eligió el ventilador Modelo: VN6A-012P del catálogo
Steren. (Steren, 2004.)
Tamaño (mm): 120x120x 25, Voltaje de alimentación: 12 V
CD, Corriente de consumo: 450 mA
RPM:3000 , Velocidad del flujo del aire (m/s): 1.25 m/s
De la figura 3.7 se seleccionó como punto de operación una
velocidad de 1.25 m/s y una resistencia térmica Rsel. = 1.30
ºC/W
7 Verificar
condición
1RdisRsel
Y
2RdisRsel
1.30 ≤ 1.44
y
1.30 ≤ 1.425
Se cumple para ambos casos.
Construcción del prototipo y pruebas de desinfección.
4.7 Elementos que conforman el generador de ozono.
Figura. 4.2 Diagrama de bloques del equipo generador de ozono.
4.7.1 Celda generadora de ozono.
La celda es el elemento principal del equipo generador de ozono, ya que es la encargada de
producir el ozono a partir del oxígeno presente en el gas de alimentación.
La metodología de diseño para la celda generadora de ozono se presenta en el capítulo IV.
En la tabla 4.1 se presenta un resumen de las especificaciones técnicas de la celda fabricada
para este proyecto, y en la figura 4.3 se muestra una foto de esta celda.
Tabla 4.1 Especificaciones técnicas de la celda generadora de ozono
En la siguiente figura se muestra la celda construida para la generación de ozono.
Figura 4.3 Celda generadora de ozono
Para construir la celda de placas paralelas fue necesario seleccionar los materiales
adecuados de los electrodos y del dieléctrico. En el caso de los electrodos se utilizó un
material que soporta la acción oxidante del gas ozono, este material es el acero inoxidable
316. Para seleccionar el dieléctrico se realizó un estudio de materiales que se utilizan
comúnmente en aislamientos de motores eléctricos.
El estudio de los materiales dieléctricos consiste en caracterizar su comportamiento en
frecuencia, permitividad relativa y factor de perdida. Además se presenta el procedimiento
para seleccionar la forma geométrica de la celda de placas paralelas y sus caracterizaciones
eléctricas.
4.7.2 Geometría de la celda.
La geometría de la celda generadora de ozono es uno de los puntos de mayor interés en el
diseño de un generador de ozono, ya que ésta determina el tipo de sistema de enfriamiento
y la colocación de la misma en el prototipo. Para la selección de la forma geométrica de la
celda se analizaron dos celdas una de placas paralelas y una de forma cilíndrica.
En la figura 4.4 se presenta el diagrama esquemático de cada una de las celdas.
Figura 4.4 Diagrama esquemático. a) Celda cilíndrica b) Celda de placas paralelas
Tabla 4.2 Materiales y dimensiones físicas de las partes que componen las celdas de la
figura 4.4
Geometría Parte Material Dimensiones Observaciones
Cilíndrica
Electrodo 1 Tubo de acero inox. 316
Фext = 25.4 mm
----------- Espesor = 1.5 mm
Long. = 260 mm
Electrodo 2 Malla galvanizada
Фext = 30.8 mm
----------- Espesor = 0.5 mm
Long. = 95 mm
Dieléctrico Vidrio Pyrex
Фext = 29.8 mm
-----------
Espesor = 1.2 mm
Espacio de descargas ----------- 1 mm -----------
Área de descarga ----------- A = 7.58 mm2 -----------
Sistema de enfriamiento Ventilador 12 VCD, 5Watt 90x90x25 Enfriamiento por aire
Placas paralelas
Electrodo 1 Lamina de acero inox.316
200 x 150 mm
-----------
Espesor = 1 mm
Electrodo 1 Lamina de acero inox.316
95 x 95 mm
-----------
Espesor = 1 mm
Dieléctrico Mica
200 x 150 mm
-----------
Espesor = 0.3 mm
Espacio de descargas ----------- 0.3 mm -----------
Área de descarga ----------- A = 7.6 mm2 -----------
Sistema de enfriamiento Ventilador 12 VCD, 5Watt
2 disipadores
Long= 75mm
Ventilador
120x120x25mm
Enfriamiento por aire
4.7.3 Elección de la forma geometría de la celda.
La elección de la forma geométrica de la celda se realizó en base al desempeño mostrado
por las celdas analizadas para tal fin. En la tabla 4.2 se resume el procedimiento y los
resultados de experimentación en ambas celdas.
Como resultado de la experimentación se encontró que el sistema de enfriamiento de la
celda cilíndrica resultó insuficiente, lo cual produce un calentamiento excesivo de la celda y
la degradación total del ozono generado.
La razón principal de este comportamiento se debe a que el electrodo interno de una celda
cilíndrica se encuentra térmicamente aislado por el material dieléctrico, esta característica,
dificulta la disipación de calor y favorece el incremento de la temperatura en la celda.
En contraste, los electrodos de la celda de placas paralelas son externos, esta característica
facilita la implementación de disipadores de calor, haciéndola más apta para la generación
de ozono.
La celda elegida para la aplicación fue la de placas paralelas, ya que ésta presentó una
buena producción de ozono, estabilidad térmica y requirió 22% menos voltaje para lograr
las descargas que en la celda cilíndrica.
4.7.4 Sistema de alimentación de aire.
En este trabajo de investigación se evaluó el desempeño de la celda generadora de ozono
con dos gases de alimentación: oxígeno de alta pureza con 99.99% de concentración y aire
del ambiente con aproximadamente 21% de oxígeno en volumen y punto de rocío de + 2 ºC
(20.62% de humedad relativa).
La selección del gas de alimentación se hizo con respecto a tres factores: concentración de
ozono, eficacia y costo.
Cuando el gas de alimentación es oxígeno de alta pureza se evita el problema de la
humedad y dada la mayor presencia de oxígeno, en comparación con el aire, se pueden
obtener concentraciones de ozono de dos hasta cuatro veces mayores.
La elección de utilizar aire u oxígeno de alta pureza depende de las exigencias de la
aplicación. La mayoría de los generadores de ozono utilizan aire como gas de alimentación.
Sin embargo, aunque en menor cantidad, se tienen generadores de ozono para aplicaciones
de desinfección de agua a gran escala, en los cuales se justifica la inversión de equipo y
costo de operación para trabajar con oxígeno de alta pureza.
Figura 4.5 Diagrama de bloques del sistema de alimentación de aire
El sistema de alimentación de aire cuenta con un compresor que toma aire del ambiente y lo
inyecta al sistema. El flujo de aire de salida del compresor es ajustado a los requerimientos
por medio de un circuito PWM, el cual regula la potencia entregada al compresor. En el
caso específico de esta aplicación, el PWM se ajustó para que el compresor entregue un
flujo de 2 LPM de aire. En el anexo se presenta el diagrama del circuito PWM que se
diseño.
El aire que sale del compresor pasa por un filtro desecante, el cual reduce la humedad del
aire, obteniéndose en promedio, aire con punto de rocío de +2ºC (20.62% de humedad
relativa).
El material empleado como desecante para tal fin es la sílica gel, la cual se comercializa en
forma de granos.
Una mejora en el desempeño eléctrico de la celda generadora consiste en reducir el grado
de humedad del aire de entrada a la celda. La evaluación de esta mejora puede formar parte
de un trabajo futuro.
4.7.5 Sistema de enfriamiento
El sistema de enfriamiento cumple la función de mantener la temperatura de operación de
la celda menor a los 50ºC. La capacidad de disipación de calor del sistema de enfriamiento
está íntimamente relacionada con el área de descarga. El uso de sistemas de enfriamiento
de mayor capacidad permite reducir el área de descarga de la celda, es decir, se puede
obtener la misma producción de ozono con áreas de descarga menores, Sin embargo, el uso
de sistemas de enfriamiento más elaborados implican costos mayores en su
implementación. Se eligió un sistema de enfriamiento por aire, ya que resulta una opción de
bajo costo.
El sistema de enfriamiento propuesto está compuesto de dos disipadores de calor
colocados sobre los electrodos de la celda, los cuales son enfriados por un flujo de aire
proveniente de un ventilador. Los cálculos relativos al sistema de enfriamiento se
presentan en el capítulo II. (A., 2004)
Figura. 4.6 Sistema de enfriamiento de la placa generadora de ozono.
4.7.6 Fuente de alimentación.
En la década de los años setentas las fuentes de poder para generadores de ozono trabajaban
a bajas frecuencias (50 a 60 Hz) y los niveles de voltaje que se requerían eran de varios
miles de Volts (5,000 a 10,000 Volts). Este tipo de fuentes eran bastante voluminosas, y por
los niveles de voltaje de operación, se requería de un mayor grado de aislamiento en la
celda y en el transformador de la fuente.
En la década de los años noventas, los fabricantes de generadores de ozono empezaron a
utilizar los adelantos tecnológicos de la electrónica de potencia y diseñaron fuentes de
poder que operaban en altas frecuencias (más de 1000 Hz). Los beneficios que se
obtuvieron fueron: reducir considerablemente el tamaño de las fuentes, disminuir los
niveles de voltaje y de aislamiento eléctrico e incrementar la eficiencia de la producción de
ozono.
Actualmente, las topologías que más se utilizan en los generadores de ozono, en el rango de
alta frecuencia, son: el convertidor flyback, y los inversores medio puente y puente
completo.
La figura 4.7 (a) nos indica el circuito de control electrónico construido.
Figura 4.7(a) Fuente de alimentación
La figura 4.7 (b) nos indica el diseño del PCB realizado en ARES PROTEUS
Figura 4.7 (b) Diseño de la placa realizada en Ares Proteus. (www.geocities.com)
A continuación se muestra los costos aproximados para la construcción del prototipo
generador de ozono para la potabilización de agua. En la tabla 4.3 se describen los
materiales y los costos aproximados del prototipo generador de ozono para la potabilización
de agua.
Tabla 4.3 presupuesto del prototipo generador de ozono
Difusor de Burbujas 5,00
Mangueras de presión 20,00
Celda generadora de ozono 50,00
Autotransformador de alto voltaje 90,00
Disipadores de calor 25,00
Interruptores 10,00
Bomba de Aire 50,00
Fuente de 12 V 30,00
Circuitos electrónicos 100,00
Secador de aire 20,00
Extras 100,00
TOTAL 500,00
Tabla 4.4 muestra un resumen de los costos aproximados en la investigación realizada.
Consultas bibliográficas 200,00
Recopilación y sistematización de la información 100,00
Cálculos y diseño del generador de ozono 100,00
Materiales para la construcción 600,00
Movilización 300,00
Materiales de oficina 100,00
Gastos de impresión 100,00
Imprevistos 100,00
TOTAL 1500,00
Tabla 4.5 Comparación técnica económica frente a equipos existentes en el mercado
EQUIPO CONSTRUIDO EQUIPO EXISTENTE EN EL MERCADO
Indicador de datos (LCD).
Marca: ALPINE BETTER LIVING
Circuito de control a través de microcontrolador
(PIC).
Modelo: HMA – 300
Temporizador digital.
Procedencia: USA
Filtro secador de aire.
Bomba de aire.
Compresor de aire seco.
Inyección de ozono por medio de tubo venturi.
Electrodos de placas paralelas de acero inoxidable
316.
Temporizador analógico.
Disipadores de calor.
Generación de ozono
Ventilador
Costo aproximado desde $400 en adelante.
Difusor de burbujas. Volumen de desinfección limitada
Capacidad de desinfección 120l/h
Producción de ozono 240mg/h
RESULTADOS
Una vez comprobado el correcto funcionamiento del equipo procedimos a realizar todas las
pruebas correspondientes de laboratorio las mismas que se realizaron en el departamento de
tratamientos de aguas de la UMAPAL (Loja) con la ayuda de la Ing. Química Rocío
Minchala procedimos a realizar los exámenes físico, químicos y microbiológicos de tres
muestras de agua las mismas que fueron recolectadas en varios sectores de cantón Paltas.
Con los resultados obtenidos se pudo concluir afirmando que la efectividad del ozono
producido por el prototipo generador de ozono es más eficiente que cualquiera de los
métodos tradicionales de desinfección.
Los informes de los resultados obtenidos se indican en anexos.
5.1 Operación del generador de ozono.
El equipo generador de ozono cuenta con capacidad de desinfección de 5, 10 y 20 litros de
agua por ciclo de trabajo. En los siguientes puntos se plantea la forma en que se opera este
equipo para realizar un servicio de desinfección.
1. Con la tecla de selección del panel de control, que se muestra en la figura 5.1, se elige el
volumen de agua requerido.
2. El equipo empieza a trabajar en el momento en que se oprime la tecla “inicio” del panel
de control. La secuencia de activación de los dispositivos del equipo generador de
ozono suceden en el siguiente orden: ventilador, compresor y fuente de alimentación.
Figura 5.1 Panel de control del equipo generador de ozono
3. De acuerdo con el volumen de agua que se selecciona es el tiempo de funcionamiento del
equipo generador de ozono, esto se puede apreciar en la tabla 5.1
Tabla 5.1 Tiempos de ozonificación
Volumen de agua
(litros)
Tiempo de ozonificación
(minutos)
20 10
10 5
5 2.5
4. Una vez terminado el tiempo de operación de un servicio de desinfección de agua, se
desenergiza la fuente de alimentación y se mantiene trabajando el ventilador y el
compresor durante tres segundos para terminar de enfriar la celda y evacuar los residuos
de ozono en los mangueras de la celda.
5. El proceso de ozonificación del agua puede ser abortado en cualquier instante
oprimiendo la tecla “paro”. Al interrumpir el proceso de ozonificación aparecerá un
mensaje en el display que dirá la leyenda: “Incompleto”. Para volver a elegir un
volumen de agua se deberá oprimir la tecla de inicio.
6. Después de ozonificar el agua es recomendable dejarla reposar por espacio de 20
minutos para que el ozono contenido en el agua se recombine y termine de actuar sobre
los microorganismos patógenos.
La siguiente figura indica la simulación realizada en programa de diseño electrónico en la
misma que se puede observar los componentes que se utilizaron en la elaboración del
circuito.
Figura 5 .2 Simulación del circuito de control en Isis proteus 7.6
5.2 Características de diseño del generador de ozono.
Las especificaciones del generador se resumen en la tabla 4.6
Tabla 5.2 Especificaciones técnicas del equipo generador de ozono
En la figura 5.3 se muestra la fotografía el generador de ozono que se desarrollo para este
trabajo de investigación.
Figura 5.3 Generador de ozono construido.
5.3 Resultados de la experimentación de la acción del ozono en el agua.
5.3.1 Pruebas de ozono residual.
Como se mencionó en el capítulo 1 el proceso de integración del ozono al agua depende de
múltiples factores, tales como: la técnica de aplicación del ozono, la temperatura y pH del
agua, la presión parcial del gas sobre el líquido (ley de Henry), la difusión del ozono en el
agua (ley de Fick), entre otros. Las pruebas de ozono residual ayudan a conocer la
concentración máxima que es posible obtener bajo ciertas condiciones de aplicación del
ozono al agua.
En la figura 5.4 se muestra el comportamiento de la concentración de ozono residual a
variaciones en el tiempo de contacto.
Figura 5.4Comportamiento del ozono residual a variaciones en el tiempo de contacto
De la figura 5.4 se puede concluir que dada las condiciones de aplicación del ozono al agua
evaluado, la concentración máxima de ozono residual que se puede obtener es de 0.1 mg/l.
La IBWA recomienda una dosis de 1 a 2mg de ozono por litro de agua aplicados en un
tiempo entre 4 y 10 minutos, manteniendo un título de ozono residual de 0.1 a 0.4 mg/l por
un tiempo de contacto de 4 a 10 minutos. En conclusión, la concentración máxima de
ozono residual obtenida bajo las condiciones probadas se encuentra en el rango aprobado
por la IBWA
5.3.2 Pruebas de oxidación.
Las pruebas de oxidación sirven para determinar la acción oxidante del ozono sobre la
materia orgánica contenida en el agua. Con esta prueba es posible cuantificar el efecto del
flujo del gas en la difusión del ozono en el agua y el efecto de la concentración de ozono en
la acción oxidante.
Conclusión: Como resultado de las pruebas se determinó que la dosificación de ozono
ideal para la aplicación propuesta es de 2mg de ozono por litro de agua. Cabe destacar
que esta dosificación de ozono está aprobada por la IBWA.
DISCUSIÓN
El propósito fundamental de este proyecto de Tesis fue diseñar y construir un prototipo
generador de ozono para la potabilización de agua con materiales y procesos locales, de
funcionamiento sencillo y mantenimiento simple, de tecnología accesible y económica, y
que principalmente resulte compatible con el medio ambiente preservando el equilibrio
ecológico del lugar.
El diseño se realizó en base a los conocimientos adquiridos en la Carrera de Ingeniería
Electromecánica durante el transcurso de nuestra formación; cuya capacitación ofrecida por
los diferentes docentes fue de gran ayuda para el desarrollo del presente trabajo.
Luego se procedió a la demostración del funcionamiento del sistema propuesto; la cual se la
realizó en los laboratorios de la planta de tratamiento de agua de la UMAPAL – LOJA
sector Pucará Para el análisis se presentaron 3 muestras tomadas de distintos sectores del
cantón Paltas como son barrio “Macandamine”, Captación de la estación de bombeo barrio
San Pedro Mártir, Agua de pozo (Catacocha) las cuales que fueron analizadas por técnicos
de la planta los mismos que dieron constancia del buen funcionamiento del Sistema de
ozonificación
La cantidad de ozono producida por el prototipo generador de ozono es de 2mg de ozono
por litro de agua la misma que se le aplico a las siguientes muestras en un tiempo 60sg. Con
la cual se obtuvieron los siguientes resultados.
Muestra tomada del sector de Catacocha (agua de pozo) antes de realizar el análisis
tenia las siguientes características:
Según el resultado de esta muestra los índices de contaminación no están dentro de los
límites permisibles para aguas crudas o sea no está apta para el consumo humano.
Y luego de realizarse el análisis se obtuvo los siguientes resultados:
El resultado del análisis nos indica que según el tratamiento realizado por el prototipo
generador de ozono el agua purificada está dentro de los límites permisibles para aguas
potables.
Tabla 5.3 Análisis físico y microbiológico de agua de pozo Catacocha
Según los resultados del laboratorio de la muestra tomada del barrio Macandanine
Cantón Paltas (agua entubada) antes de realizar el análisis tenia las siguientes
características:
PotencialHidrogeno
TurbocidadColor
ColifirmesTotales Coliformes
Fecales
8,530,6
8
1760
22
7,016,87 164
00
Análisis Físico y Microbiológico de Agua
de Pozo de Catacocha
Antes Despues
Y luego de realizarse el análisis se obtuvo los siguientes resultados:
El resultado del análisis nos indica que según el tratamiento realizado por el prototipo
generador de ozono el agua purificada está dentro de los límites permisibles para aguas
potables.
Tabla 5.4 Análisis físico y microbiológico de agua del barrio Macandamine
Según los resultados del laboratorio de la muestra tomada de la estación de bombeo
del Cantón Paltas (captación) antes de realizar el análisis tenia las siguientes
características:
PotencialHidrogeno Turbocidad
ColorColifirmes
Totales ColiformesFecales
7,521,26
5
850
0
7,760,83
00
0
Análisis Físico y Microbiológico de Agua del
Barrio Macandamine
Antes Despues
Y luego de realizarse el análisis se obtuvo los siguientes resultados:
El resultado del análisis nos indica que según el tratamiento realizado por el prototipo
generador de ozono el agua purificada está dentro de los límites permisibles para aguas
potables.
Tabla 5.5 Análisis físico y microbiológico de agua de la Estación de bombeo Catacocha
De todo lo antes mencionado en los resultados podemos decir que el funcionamiento del
prototipo y la generación de ozono están acordes con las normas establecidas por la IBWA
para le desinfección de agua los mismos que se pueden verificar con los resultados
obtenidos en los laboratorios de la UMAPAL.
PotencialHidrogeno
TurbocidadColor
ColifirmesTotales Coliformes
Fecales
7,685,11
23
3440
480
7,663,63
1630
4
Análisis Físico y Microbiológico de Agua de la
Estación de Bombeo Catacocha
Antes Despues
SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE AIRE
El sistema de alimentación de aire cuenta con un compresor de 12Vdc. que toma aire del
ambiente y lo inyecta al sistema. El flujo de aire de salida del compresor es ajustado a los
requerimientos por medio de un circuito electrónico PWM, el cual regula la potencia
entregada al compresor. En el caso específico de esta aplicación, el PWM se ajustó para
que el compresor entregue un flujo de 2 LPM de aire. En el anexo se presenta el diagrama
del circuito PWM que se diseño.
El aire que sale del compresor pasa por un filtro desecante, el cual reduce la humedad del
aire, obteniéndose en promedio, aire con punto de rocío de +2ºC (20.62% de humedad
relativa). El material empleado como desecante para tal fin es la sílica gel, la cual se
comercializa en forma de granos.
Una mejora en el desempeño eléctrico de la celda generadora consiste en reducir el grado
de humedad del aire de entrada a la celda. La evaluación de esta mejora puede formar parte
de un trabajo futuro.
GAS DE ALIMENTACIÓN
La función principal del gas de alimentación es proveer el oxígeno necesario a la celda para
generar ozono. El gas de alimentación es otro de los puntos importantes a considerar en el
diseño de una celda generadora ozono, ya que éste es un factor que influye en producción
de ozono y la eficiencia eléctrica de la celda.
Los cuatro factores principales a considerar en la elección del gas de alimentación son: La
concentración de oxígeno, temperatura, humedad y costo.
Se analizaron dos tipos de gas de alimentación: Aire del ambiente con aproximadamente
21% de oxígeno en volumen y punto de rocío de +2 ºC (20.62% de humedad relativa) y
oxígeno a 99.9% de pureza con punto de rocío de -60ºC, empleado comúnmente para
aplicaciones médicas y de soldadura.
Tomando en cuenta que la concentración de ozono es inversamente proporcional a la
presión del gas de alimentación. Al aumentar la presión del gas que se inyecta a la celda,
sus moléculas se compactan cada vez más, lo cual limita la aceleración de los electrones
que participan en la disociación de las moléculas de oxígeno. Lo anterior produce una débil
ionización del gas de alimentación y como consecuencia una reducción en la concentración
de ozono.
Un incremento en el flujo del gas de alimentación se traduce en un incremento en la
velocidad de sus moléculas que atraviesan el espacio de descarga, lo cual, reduce la
oportunidad de que estas moléculas sean ionizadas. Lo anterior ocasiona una menor
ionización de este gas y también menor formación de moléculas de ozono.
PLACAS PARALELAS
El presente diseño de celdas de placas paralelas, es para operar enfriadas por aire y usando
mica como material dieléctrico.
La geometría de la celda generadora de ozono es uno de los puntos de mayor interés en el
diseño de un generador de ozono, ya que ésta determina el tipo de sistema de enfriamiento
y la colocación de la misma en el prototipo.
Para la selección de la forma geométrica de la celda se construyeron dos celdas una de
placas paralelas y una de forma cilíndrica.
Como resultado de la experimentación se encontró que el sistema de enfriamiento de la
celda cilíndrica resultó insuficiente, lo cual produce un calentamiento excesivo de la celda y
la degradación total del ozono generado. La razón principal de este comportamiento se debe
a que el electrodo interno de una celda cilíndrica se encuentra térmicamente aislado por el
material dieléctrico, esta característica, dificulta la disipación de calor y favorece el
incremento de la temperatura en la celda. A diferencia, los electrodos de la celda de placas
paralelas son externos, esta característica facilita la implementación de disipadores de calor,
haciéndola más apta para la generación de ozono.
SISTEMA DE CONTROL DEL PROTOTIPO GENERADOR DE OZONO.
El sistema de control cuenta con un microprocesador PIC 16F876 el mismo que está
programado para temporizar el funcionamiento del compresor, el ventilador y el circuito de
elevador de voltaje en varios periodos de tiempo dependiendo de la cantidad de agua que se
desee desinfectar y este control se indica en un LCD TS1620A-17.
SISTEMA ELEVADOR DE VOLTAJE.
Actualmente, las topologías que más se utilizan en los generadores de ozono, en el rango de
alta frecuencia, son: el convertidor flyback, y los inversores medio puente y puente
completo.
El generador de ozono tiene un circuito que genera un alto voltaje entre los electrodos
separadas por un aislante, a modo de condensador para que el ozono pueda ser aprovechado
utiliza placas paralelas las cuales provocan que las descargas de alto voltaje no sea un
simple rayo sino que sean una gran cantidad de estas, ya que cada descarga provoca una
pequeña cantidad de ozono.
El circuito multiplica y rectifica el voltaje de entrada de 120Vac a 300Vdc y por medio de
un SCR esta carga almacenada en dos condensadores de 225K/2500V es pasada al primario
de un transformador que genera a la salida una chispa de alto voltaje en su secundario.
CONCLUSIONES.
Como conclusión de todos los resultados de los análisis de laboratorio se podrá
decir que el funcionamiento del prototipo y la generación de ozono están acordes
con las normas internacionales para la potabilización de agua los mismos que se
pueden verificar con los resultados obtenidos en los laboratorios de la UMAPAL.
También se podrá acotar que el rendimiento de nuestro generador de ozono en
cuanto a la eliminación de hongos, bacterias, virus resultó eficiente lo cual queda
demostrado en los análisis físicos-químicos, y microbiológicos.
Una vez realizadas las prácticas correspondientes al funcionamiento del sistema, se
podrá contrastar la teoría con la práctica y de ésta manera fortalecer e incrementar
científica y técnicamente nuestras capacidades cognoscitivas.
Para este proyecto de tesis, se eligió la celda de placas paralelas, ya que su forma
geométrica permitirá una mejor disipación del calor de la celda, para mantener
estable la producción de ozono.
El material dieléctrico seleccionado para una celda de placas paralelas fue la mica,
además de su buen desempeño eléctrico y mecánico es resistente a la acción
oxidante del gas ozono y es de bajo costo.
A pesar de la mejor eficiencia eléctrica obtenida con el oxígeno a 99.9% de pureza
se eligió aire, con una humedad relativa de 20.62%. Esta decisión se basó en la
consideración de análisis de costos, ya que el aire además de satisfacer los
requerimientos de generación de ozono para este proyecto, es más económico
permitirá un ahorro con respecto al uso del oxígeno.
Finalmente, se concluyó que los objetivos del presente trabajo fueron cumplidos, y
que el método utilizado en la desinfección de agua resulta eficiente, el prototipo
resultó de bajo costo y construido con materiales de fácil acceso.
RECOMENDACIONES
De acuerdo a los resultados obtenidos en la investigación se ha llegado a las siguientes
recomendaciones:
1. El tratamiento con ozono es aceptable para el medioambiente. Elimina la necesidad
de manipular, almacenar, mantener registros y desechar sustancias químicas tóxicas
contempladas en las reglamentaciones gubernamentales que cada vez son más
rigurosas.
2. Será necesario continuar el trabajo de investigación y desarrollo de esta tecnología,
puesto que la generación de ozono no deja residuos peligrosos ni perjudiciales para
la salud.
3. Realizar un rediseño del sistema de control del prototipo ya sea mediante la
utilización del un sistema PLC, o a través de micro controladores.
4. Considerar la metodología empleada en la construcción de este prototipo para
construir equipos de mayor capacidad tanto en volumen de agua como en
generación de ozono.
5. Hacer extensiva la experiencia recogida en el presente trabajo, a los distintos
sectores locales y rurales, con el fin aportar con nuevas alternativas para mejorar la
calidad del abastecimiento de agua para el consumo humano.
BILIOGRAFÍA
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http://www.unitek.com.ar/aplicaciones potabilizacion de agua.php
ANEXOS ANEXO 1
109
ANEXO 2
Figura.2 circuito elevador de voltaje
110
ANEXO 3
Resumen de parámetros y decisiones de diseño encontradas bajo experimentación Parámetro Observación
Materiales para la construcción de la celda generadora de ozono
Electrodos Acero inoxidable 316 ----
Dieléctrico Mica Buen desempeño eléctrico, adecuado
soporte mecánico y resistencia a la
degradación por descargas.
Dimensiones y geometría
Geometría de la celda Placas paralelas Presenta excelente desempeño térmico
y una buena producción de ozono.
Área de descarga, A 7.58 mm2
----
Espacio de descargas, d2 0.3 mm ----
Espesor del dieléctrico, d1 0.3 mm ----
Parámetros neumáticos de operación
Gas de alimentación Aire del ambiente Representa una alternativa más
económica en comparación con el
oxígeno.
Punto de rocío del gas de alimentación + 2 ºC (20.62% de humedad relativa) ----
Presión del gas de alimentación Pm = 34.47 kPa man.
Ps = 135.775 kPa abs.
----
Flujo del gas de alimentación, φg 2 LPM Favorece el proceso de oxidación y la
eficacia de la celda generadora.
Parámetros eléctricos
Frecuencia de operación, f 17.5 kHz A esta frecuencia la celda presentó su
valor máximo de eficacia.
Voltaje de alimentación, Vg 2300 Vrms Voltaje necesario para generar una
concentración de 2g/Nm3
.
Potencia de consumo de la celda
generadora de ozono, Pg
7 W Consumo de potencia de la celda
generadora.
Eficiencia eléctrica máxima, η 2.88 % Obtenidos empleando aire a +2 ºC de
punto de rocío (20.62% de humedad
relativa) como gas de alimentación.
Eficacia máxima, Ef 34.58 g/kWh
Densidad de potencia, Kd 1000W/m2
Presentó buenos resultados con un
sistema de enfriamiento por aire.
Parámetros térmicos
Potencia total disipada en calor, qt (%) 20.09 % Datos calculados cuando la celda opera
con una densidad de potencia Kd de
1kW/m2
.
Potencia disipada por el electrodo
adherido al dieléctrico, qd (%)
10.15 %
Potencia disipada por el otro electrodo,
qe (%)
9.94 %
Potencia arrastrada por el gas de
alimentación.
despreciable
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
ANEXO 7
CORTADO Y LIMPIEZA DE LA PLACA
ESTAMPADO Y OXIDACION DE LA PLACA
124
PERFORACIÓN Y COLOCACIÓN DE LOS COMPONENTES
SOLDADO DE LOS COMPONENTES ELECTRÓNICOS
CONSTRUCCIÓN DE LA PLACA ELECTRÓNICA
125
GRABADO DEL SOFTWARE EN EL MICROCONTROLADOR PIC